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OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing Nathalie Thomas IRIT/ENSEEIHT [email protected] 2019 - 2020

OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

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Page 1: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Nathalie Thomas

IRITENSEEIHTNathalieThomasenseeihtfr

2019 - 2020

Plan du cours

bull La modulation OFDM

rarr Contexte

rarr Geacuteneacuteration et reacuteception drsquoun signal OFDM

rarr Principaux problegravemes synchronisation facteur de crecircte eacuteleveacute

bull Des exemples drsquoapplication dans

rarr Les reacuteseaux locaux sans fil (IEEE80211a g n ac ah)

rarr Les reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (IEEE80216d e)

rarr La teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (DVB-T DVB-T2) et la radio numeacuterique (DAB)

rarr Les modems xDSL

rarr Les courants porteurs en ligne (CPL)

rarr 4G (LTE) 5G

OFDM Contexte

| C(f) |

f

| C(f) |

f

Canal hertzien terrestre Canal teacuteleacutephonique

ISI = 2 symboles

S1

S2

S3 S1

S2

S3

Exemple

c(t)

t0

a0 a1a2

bull Canaux de transmissions seacutelectifs en freacutequences

rarr Paramegravetre Bande de coheacuterence du canal

bull Interfeacuterence entre symboles

rarr Paramegravetre Eacutetalement maximal des retards

tmax

Transmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-20

10-10

100

1010

PSD of the transmitted image (SRRC shaping)

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-10

10-5

100

105

PSD of the received image

Transmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-20

10-10

100

1010

PSD of the transmitted image (SRRC shaping)

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-10

10-5

100

105

PSD of the received image

Transmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-20

10-10

100

1010

PSD of the transmitted image (SRRC shaping)

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-10

10-5

100

105

PSD of the received image

Image reccedilue SNRdB = 10 dBImage transmise Image reccedilue SNRdB = 0 dB

TEB = 00784TEB = 238 10-6

4

bull Impact de lrsquoajout drsquoun bruit sur le signal eacutemis (canal AWGN)

bull Impact drsquoun canal seacutelectif en freacutequence SNR = 10 dB

TEB = 04674TEB = 03986

c=[004 -005 007 -021 -05 072 036 0 021 003 007]c=[0407 0815 0407]

OFDM Contexte

Solutions couches physiques

rarr Filtres de mise en forme h(t) et de reacuteception hr(t) respectant le critegravere de Nyquist

rarr Filtrage adapteacute en reacuteception

rarr Limitation du deacutebit pour une transmission sans ISI BH(f)Hr(f) lt Bcanal

bull Canal seacutelectif en freacutequences

bull Canal laquo ideacuteal raquo (AWGN) agrave bande limiteacute

rarr Egalisation

rarr Techniques multi porteuses

OFDM forme particuliegravere de multi porteuses

Techniques multi porteuses

bull Principe transmissions simultaneacutees sur N porteuses

rarrEmission

rarr Reacuteception

hellip

hellip

N sous canaux

bull Transmissions simultaneacutees sur N porteuses

d0 dN-1d1 hellip

Ts Ts Ts

1Ts

freacutequences

temps

Mono porteuse Multi porteuses

dN-1

d1

d0

hellip

NTs

1NTs

1NTs

1NTs

freacutequences

temps

rarr N sous canaux de largeurs reacuteduites =gt Reacuteduction de la seacutelectiviteacute sur chaque sous canal

rarr N sous porteuses agrave deacutebits reacuteduits=gt Reacuteduction de lrsquoISI sur chaque porteuse

Techniques multi porteuses

S1

S4

S1

S4

ISI = 23 symboles

t

S1

S2

S3

Exemple mise en forme rectangulaire une porteuse

S1

S2

S3t t

S4

S2 S5

t

S3t

S5

S6

S6

ISI = 2 symbolesc(t)

t0

a0 a1a2

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire 3 porteuses

S2 S5

ISI = 23 symboles

S3 S6

ISI = 23 symboles

Techniques multi porteuses

hellip

hellip

Eacutemission Reacuteception

bull Transmissions simultaneacutees sur N porteuses (sans canal)

hellip

hellip

hellip

hellip

hellip

hellip

temps

freacutequences

0

Enveloppe complexe associeacutee au signal multi porteuses

Techniques multi porteuses

bull Forme particuliegravere de multi porteuse mise en forme rectangulairehellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Orthogonaliteacute des porteuses

Inter Carrier Interference (ICI)

Annulation de lrsquointerfeacuterence entre porteuses

ICI = 0

Utilisation optimale de la bande alloueacutee

hellip

Condition drsquoorthogonaliteacute des porteuses

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Implantation numeacuterique par iFFTFFThellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

iFFT

+

PS

SP

+

FFT

Simpliciteacute drsquoimplantation

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Historique

rarr Fin des anneacutees 50 concept multi porteuses

rarr Fin des anneacutees 60 OFDM modems militaires hautes freacutequences peu de porteuses

rarr Brevet en 1970 avec utilisation de la TFD

rarr Anneacutees 80 projet europeacuteen Eureka pour le DAB avec utilisation de la FFT

rarr Deacutebut 90 normalisation du DAB

rarr Fin 90 agrave aujourdrsquohui xDSL (DMT) DVB-T et T2 WLAN (IEEE80211agnac) DVB-H et SH WiMax (IEEE80216de) CPL 4G (LTE) 5G

OFDM historique

S1

S4

t

Info utile Info utileIG1

t

IG0

hellip

S1

S4

ISI = 23 symboles

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

S1

S4

ISI = 0 symboles

Info utile Info utileIG1IG0

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

Interfeacuterence entre symbole (ISI)

Mise en place drsquoun intervalle de garde (IG)

OFDM geacuteneacuteration du signal

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGmIGm+1

t

Intervalle de garde (IG)

Interfeacuterence inter symboles = 0

Dureacutee IG tmax

hellip

iFFT

0

0

helliphellip

rarr Introduit agrave lrsquoeacutemission derriegravere la iFFT

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

IG

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Exemple Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 sans ajout drsquointervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 avec ajout drsquointervalle de garde

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Remarque pas drsquoentrelacement

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 2: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

Plan du cours

bull La modulation OFDM

rarr Contexte

rarr Geacuteneacuteration et reacuteception drsquoun signal OFDM

rarr Principaux problegravemes synchronisation facteur de crecircte eacuteleveacute

bull Des exemples drsquoapplication dans

rarr Les reacuteseaux locaux sans fil (IEEE80211a g n ac ah)

rarr Les reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (IEEE80216d e)

rarr La teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (DVB-T DVB-T2) et la radio numeacuterique (DAB)

rarr Les modems xDSL

rarr Les courants porteurs en ligne (CPL)

rarr 4G (LTE) 5G

OFDM Contexte

| C(f) |

f

| C(f) |

f

Canal hertzien terrestre Canal teacuteleacutephonique

ISI = 2 symboles

S1

S2

S3 S1

S2

S3

Exemple

c(t)

t0

a0 a1a2

bull Canaux de transmissions seacutelectifs en freacutequences

rarr Paramegravetre Bande de coheacuterence du canal

bull Interfeacuterence entre symboles

rarr Paramegravetre Eacutetalement maximal des retards

tmax

Transmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-20

10-10

100

1010

PSD of the transmitted image (SRRC shaping)

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-10

10-5

100

105

PSD of the received image

Transmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-20

10-10

100

1010

PSD of the transmitted image (SRRC shaping)

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-10

10-5

100

105

PSD of the received image

Transmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-20

10-10

100

1010

PSD of the transmitted image (SRRC shaping)

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-10

10-5

100

105

PSD of the received image

Image reccedilue SNRdB = 10 dBImage transmise Image reccedilue SNRdB = 0 dB

TEB = 00784TEB = 238 10-6

4

bull Impact de lrsquoajout drsquoun bruit sur le signal eacutemis (canal AWGN)

bull Impact drsquoun canal seacutelectif en freacutequence SNR = 10 dB

TEB = 04674TEB = 03986

c=[004 -005 007 -021 -05 072 036 0 021 003 007]c=[0407 0815 0407]

OFDM Contexte

Solutions couches physiques

rarr Filtres de mise en forme h(t) et de reacuteception hr(t) respectant le critegravere de Nyquist

rarr Filtrage adapteacute en reacuteception

rarr Limitation du deacutebit pour une transmission sans ISI BH(f)Hr(f) lt Bcanal

bull Canal seacutelectif en freacutequences

bull Canal laquo ideacuteal raquo (AWGN) agrave bande limiteacute

rarr Egalisation

rarr Techniques multi porteuses

OFDM forme particuliegravere de multi porteuses

Techniques multi porteuses

bull Principe transmissions simultaneacutees sur N porteuses

rarrEmission

rarr Reacuteception

hellip

hellip

N sous canaux

bull Transmissions simultaneacutees sur N porteuses

d0 dN-1d1 hellip

Ts Ts Ts

1Ts

freacutequences

temps

Mono porteuse Multi porteuses

dN-1

d1

d0

hellip

NTs

1NTs

1NTs

1NTs

freacutequences

temps

rarr N sous canaux de largeurs reacuteduites =gt Reacuteduction de la seacutelectiviteacute sur chaque sous canal

rarr N sous porteuses agrave deacutebits reacuteduits=gt Reacuteduction de lrsquoISI sur chaque porteuse

Techniques multi porteuses

S1

S4

S1

S4

ISI = 23 symboles

t

S1

S2

S3

Exemple mise en forme rectangulaire une porteuse

S1

S2

S3t t

S4

S2 S5

t

S3t

S5

S6

S6

ISI = 2 symbolesc(t)

t0

a0 a1a2

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire 3 porteuses

S2 S5

ISI = 23 symboles

S3 S6

ISI = 23 symboles

Techniques multi porteuses

hellip

hellip

Eacutemission Reacuteception

bull Transmissions simultaneacutees sur N porteuses (sans canal)

hellip

hellip

hellip

hellip

hellip

hellip

temps

freacutequences

0

Enveloppe complexe associeacutee au signal multi porteuses

Techniques multi porteuses

bull Forme particuliegravere de multi porteuse mise en forme rectangulairehellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Orthogonaliteacute des porteuses

Inter Carrier Interference (ICI)

Annulation de lrsquointerfeacuterence entre porteuses

ICI = 0

Utilisation optimale de la bande alloueacutee

hellip

Condition drsquoorthogonaliteacute des porteuses

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Implantation numeacuterique par iFFTFFThellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

iFFT

+

PS

SP

+

FFT

Simpliciteacute drsquoimplantation

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Historique

rarr Fin des anneacutees 50 concept multi porteuses

rarr Fin des anneacutees 60 OFDM modems militaires hautes freacutequences peu de porteuses

rarr Brevet en 1970 avec utilisation de la TFD

rarr Anneacutees 80 projet europeacuteen Eureka pour le DAB avec utilisation de la FFT

rarr Deacutebut 90 normalisation du DAB

rarr Fin 90 agrave aujourdrsquohui xDSL (DMT) DVB-T et T2 WLAN (IEEE80211agnac) DVB-H et SH WiMax (IEEE80216de) CPL 4G (LTE) 5G

OFDM historique

S1

S4

t

Info utile Info utileIG1

t

IG0

hellip

S1

S4

ISI = 23 symboles

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

S1

S4

ISI = 0 symboles

Info utile Info utileIG1IG0

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

Interfeacuterence entre symbole (ISI)

Mise en place drsquoun intervalle de garde (IG)

OFDM geacuteneacuteration du signal

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGmIGm+1

t

Intervalle de garde (IG)

Interfeacuterence inter symboles = 0

Dureacutee IG tmax

hellip

iFFT

0

0

helliphellip

rarr Introduit agrave lrsquoeacutemission derriegravere la iFFT

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

IG

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Exemple Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 sans ajout drsquointervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 avec ajout drsquointervalle de garde

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Remarque pas drsquoentrelacement

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

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300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

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100

200

300

400

500

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100

200

300

400

500

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100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 3: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

OFDM Contexte

| C(f) |

f

| C(f) |

f

Canal hertzien terrestre Canal teacuteleacutephonique

ISI = 2 symboles

S1

S2

S3 S1

S2

S3

Exemple

c(t)

t0

a0 a1a2

bull Canaux de transmissions seacutelectifs en freacutequences

rarr Paramegravetre Bande de coheacuterence du canal

bull Interfeacuterence entre symboles

rarr Paramegravetre Eacutetalement maximal des retards

tmax

Transmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-20

10-10

100

1010

PSD of the transmitted image (SRRC shaping)

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-10

10-5

100

105

PSD of the received image

Transmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-20

10-10

100

1010

PSD of the transmitted image (SRRC shaping)

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-10

10-5

100

105

PSD of the received image

Transmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-20

10-10

100

1010

PSD of the transmitted image (SRRC shaping)

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-10

10-5

100

105

PSD of the received image

Image reccedilue SNRdB = 10 dBImage transmise Image reccedilue SNRdB = 0 dB

TEB = 00784TEB = 238 10-6

4

bull Impact de lrsquoajout drsquoun bruit sur le signal eacutemis (canal AWGN)

bull Impact drsquoun canal seacutelectif en freacutequence SNR = 10 dB

TEB = 04674TEB = 03986

c=[004 -005 007 -021 -05 072 036 0 021 003 007]c=[0407 0815 0407]

OFDM Contexte

Solutions couches physiques

rarr Filtres de mise en forme h(t) et de reacuteception hr(t) respectant le critegravere de Nyquist

rarr Filtrage adapteacute en reacuteception

rarr Limitation du deacutebit pour une transmission sans ISI BH(f)Hr(f) lt Bcanal

bull Canal seacutelectif en freacutequences

bull Canal laquo ideacuteal raquo (AWGN) agrave bande limiteacute

rarr Egalisation

rarr Techniques multi porteuses

OFDM forme particuliegravere de multi porteuses

Techniques multi porteuses

bull Principe transmissions simultaneacutees sur N porteuses

rarrEmission

rarr Reacuteception

hellip

hellip

N sous canaux

bull Transmissions simultaneacutees sur N porteuses

d0 dN-1d1 hellip

Ts Ts Ts

1Ts

freacutequences

temps

Mono porteuse Multi porteuses

dN-1

d1

d0

hellip

NTs

1NTs

1NTs

1NTs

freacutequences

temps

rarr N sous canaux de largeurs reacuteduites =gt Reacuteduction de la seacutelectiviteacute sur chaque sous canal

rarr N sous porteuses agrave deacutebits reacuteduits=gt Reacuteduction de lrsquoISI sur chaque porteuse

Techniques multi porteuses

S1

S4

S1

S4

ISI = 23 symboles

t

S1

S2

S3

Exemple mise en forme rectangulaire une porteuse

S1

S2

S3t t

S4

S2 S5

t

S3t

S5

S6

S6

ISI = 2 symbolesc(t)

t0

a0 a1a2

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire 3 porteuses

S2 S5

ISI = 23 symboles

S3 S6

ISI = 23 symboles

Techniques multi porteuses

hellip

hellip

Eacutemission Reacuteception

bull Transmissions simultaneacutees sur N porteuses (sans canal)

hellip

hellip

hellip

hellip

hellip

hellip

temps

freacutequences

0

Enveloppe complexe associeacutee au signal multi porteuses

Techniques multi porteuses

bull Forme particuliegravere de multi porteuse mise en forme rectangulairehellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Orthogonaliteacute des porteuses

Inter Carrier Interference (ICI)

Annulation de lrsquointerfeacuterence entre porteuses

ICI = 0

Utilisation optimale de la bande alloueacutee

hellip

Condition drsquoorthogonaliteacute des porteuses

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Implantation numeacuterique par iFFTFFThellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

iFFT

+

PS

SP

+

FFT

Simpliciteacute drsquoimplantation

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Historique

rarr Fin des anneacutees 50 concept multi porteuses

rarr Fin des anneacutees 60 OFDM modems militaires hautes freacutequences peu de porteuses

rarr Brevet en 1970 avec utilisation de la TFD

rarr Anneacutees 80 projet europeacuteen Eureka pour le DAB avec utilisation de la FFT

rarr Deacutebut 90 normalisation du DAB

rarr Fin 90 agrave aujourdrsquohui xDSL (DMT) DVB-T et T2 WLAN (IEEE80211agnac) DVB-H et SH WiMax (IEEE80216de) CPL 4G (LTE) 5G

OFDM historique

S1

S4

t

Info utile Info utileIG1

t

IG0

hellip

S1

S4

ISI = 23 symboles

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

S1

S4

ISI = 0 symboles

Info utile Info utileIG1IG0

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

Interfeacuterence entre symbole (ISI)

Mise en place drsquoun intervalle de garde (IG)

OFDM geacuteneacuteration du signal

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGmIGm+1

t

Intervalle de garde (IG)

Interfeacuterence inter symboles = 0

Dureacutee IG tmax

hellip

iFFT

0

0

helliphellip

rarr Introduit agrave lrsquoeacutemission derriegravere la iFFT

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

IG

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Exemple Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 sans ajout drsquointervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 avec ajout drsquointervalle de garde

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Remarque pas drsquoentrelacement

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 4: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

Transmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-20

10-10

100

1010

PSD of the transmitted image (SRRC shaping)

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-10

10-5

100

105

PSD of the received image

Transmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-20

10-10

100

1010

PSD of the transmitted image (SRRC shaping)

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-10

10-5

100

105

PSD of the received image

Transmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-20

10-10

100

1010

PSD of the transmitted image (SRRC shaping)

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 05 110

-10

10-5

100

105

PSD of the received image

Image reccedilue SNRdB = 10 dBImage transmise Image reccedilue SNRdB = 0 dB

TEB = 00784TEB = 238 10-6

4

bull Impact de lrsquoajout drsquoun bruit sur le signal eacutemis (canal AWGN)

bull Impact drsquoun canal seacutelectif en freacutequence SNR = 10 dB

TEB = 04674TEB = 03986

c=[004 -005 007 -021 -05 072 036 0 021 003 007]c=[0407 0815 0407]

OFDM Contexte

Solutions couches physiques

rarr Filtres de mise en forme h(t) et de reacuteception hr(t) respectant le critegravere de Nyquist

rarr Filtrage adapteacute en reacuteception

rarr Limitation du deacutebit pour une transmission sans ISI BH(f)Hr(f) lt Bcanal

bull Canal seacutelectif en freacutequences

bull Canal laquo ideacuteal raquo (AWGN) agrave bande limiteacute

rarr Egalisation

rarr Techniques multi porteuses

OFDM forme particuliegravere de multi porteuses

Techniques multi porteuses

bull Principe transmissions simultaneacutees sur N porteuses

rarrEmission

rarr Reacuteception

hellip

hellip

N sous canaux

bull Transmissions simultaneacutees sur N porteuses

d0 dN-1d1 hellip

Ts Ts Ts

1Ts

freacutequences

temps

Mono porteuse Multi porteuses

dN-1

d1

d0

hellip

NTs

1NTs

1NTs

1NTs

freacutequences

temps

rarr N sous canaux de largeurs reacuteduites =gt Reacuteduction de la seacutelectiviteacute sur chaque sous canal

rarr N sous porteuses agrave deacutebits reacuteduits=gt Reacuteduction de lrsquoISI sur chaque porteuse

Techniques multi porteuses

S1

S4

S1

S4

ISI = 23 symboles

t

S1

S2

S3

Exemple mise en forme rectangulaire une porteuse

S1

S2

S3t t

S4

S2 S5

t

S3t

S5

S6

S6

ISI = 2 symbolesc(t)

t0

a0 a1a2

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire 3 porteuses

S2 S5

ISI = 23 symboles

S3 S6

ISI = 23 symboles

Techniques multi porteuses

hellip

hellip

Eacutemission Reacuteception

bull Transmissions simultaneacutees sur N porteuses (sans canal)

hellip

hellip

hellip

hellip

hellip

hellip

temps

freacutequences

0

Enveloppe complexe associeacutee au signal multi porteuses

Techniques multi porteuses

bull Forme particuliegravere de multi porteuse mise en forme rectangulairehellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Orthogonaliteacute des porteuses

Inter Carrier Interference (ICI)

Annulation de lrsquointerfeacuterence entre porteuses

ICI = 0

Utilisation optimale de la bande alloueacutee

hellip

Condition drsquoorthogonaliteacute des porteuses

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Implantation numeacuterique par iFFTFFThellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

iFFT

+

PS

SP

+

FFT

Simpliciteacute drsquoimplantation

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Historique

rarr Fin des anneacutees 50 concept multi porteuses

rarr Fin des anneacutees 60 OFDM modems militaires hautes freacutequences peu de porteuses

rarr Brevet en 1970 avec utilisation de la TFD

rarr Anneacutees 80 projet europeacuteen Eureka pour le DAB avec utilisation de la FFT

rarr Deacutebut 90 normalisation du DAB

rarr Fin 90 agrave aujourdrsquohui xDSL (DMT) DVB-T et T2 WLAN (IEEE80211agnac) DVB-H et SH WiMax (IEEE80216de) CPL 4G (LTE) 5G

OFDM historique

S1

S4

t

Info utile Info utileIG1

t

IG0

hellip

S1

S4

ISI = 23 symboles

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

S1

S4

ISI = 0 symboles

Info utile Info utileIG1IG0

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

Interfeacuterence entre symbole (ISI)

Mise en place drsquoun intervalle de garde (IG)

OFDM geacuteneacuteration du signal

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGmIGm+1

t

Intervalle de garde (IG)

Interfeacuterence inter symboles = 0

Dureacutee IG tmax

hellip

iFFT

0

0

helliphellip

rarr Introduit agrave lrsquoeacutemission derriegravere la iFFT

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

IG

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Exemple Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 sans ajout drsquointervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 avec ajout drsquointervalle de garde

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Remarque pas drsquoentrelacement

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 5: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

Solutions couches physiques

rarr Filtres de mise en forme h(t) et de reacuteception hr(t) respectant le critegravere de Nyquist

rarr Filtrage adapteacute en reacuteception

rarr Limitation du deacutebit pour une transmission sans ISI BH(f)Hr(f) lt Bcanal

bull Canal seacutelectif en freacutequences

bull Canal laquo ideacuteal raquo (AWGN) agrave bande limiteacute

rarr Egalisation

rarr Techniques multi porteuses

OFDM forme particuliegravere de multi porteuses

Techniques multi porteuses

bull Principe transmissions simultaneacutees sur N porteuses

rarrEmission

rarr Reacuteception

hellip

hellip

N sous canaux

bull Transmissions simultaneacutees sur N porteuses

d0 dN-1d1 hellip

Ts Ts Ts

1Ts

freacutequences

temps

Mono porteuse Multi porteuses

dN-1

d1

d0

hellip

NTs

1NTs

1NTs

1NTs

freacutequences

temps

rarr N sous canaux de largeurs reacuteduites =gt Reacuteduction de la seacutelectiviteacute sur chaque sous canal

rarr N sous porteuses agrave deacutebits reacuteduits=gt Reacuteduction de lrsquoISI sur chaque porteuse

Techniques multi porteuses

S1

S4

S1

S4

ISI = 23 symboles

t

S1

S2

S3

Exemple mise en forme rectangulaire une porteuse

S1

S2

S3t t

S4

S2 S5

t

S3t

S5

S6

S6

ISI = 2 symbolesc(t)

t0

a0 a1a2

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire 3 porteuses

S2 S5

ISI = 23 symboles

S3 S6

ISI = 23 symboles

Techniques multi porteuses

hellip

hellip

Eacutemission Reacuteception

bull Transmissions simultaneacutees sur N porteuses (sans canal)

hellip

hellip

hellip

hellip

hellip

hellip

temps

freacutequences

0

Enveloppe complexe associeacutee au signal multi porteuses

Techniques multi porteuses

bull Forme particuliegravere de multi porteuse mise en forme rectangulairehellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Orthogonaliteacute des porteuses

Inter Carrier Interference (ICI)

Annulation de lrsquointerfeacuterence entre porteuses

ICI = 0

Utilisation optimale de la bande alloueacutee

hellip

Condition drsquoorthogonaliteacute des porteuses

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Implantation numeacuterique par iFFTFFThellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

iFFT

+

PS

SP

+

FFT

Simpliciteacute drsquoimplantation

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Historique

rarr Fin des anneacutees 50 concept multi porteuses

rarr Fin des anneacutees 60 OFDM modems militaires hautes freacutequences peu de porteuses

rarr Brevet en 1970 avec utilisation de la TFD

rarr Anneacutees 80 projet europeacuteen Eureka pour le DAB avec utilisation de la FFT

rarr Deacutebut 90 normalisation du DAB

rarr Fin 90 agrave aujourdrsquohui xDSL (DMT) DVB-T et T2 WLAN (IEEE80211agnac) DVB-H et SH WiMax (IEEE80216de) CPL 4G (LTE) 5G

OFDM historique

S1

S4

t

Info utile Info utileIG1

t

IG0

hellip

S1

S4

ISI = 23 symboles

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

S1

S4

ISI = 0 symboles

Info utile Info utileIG1IG0

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

Interfeacuterence entre symbole (ISI)

Mise en place drsquoun intervalle de garde (IG)

OFDM geacuteneacuteration du signal

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGmIGm+1

t

Intervalle de garde (IG)

Interfeacuterence inter symboles = 0

Dureacutee IG tmax

hellip

iFFT

0

0

helliphellip

rarr Introduit agrave lrsquoeacutemission derriegravere la iFFT

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

IG

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Exemple Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 sans ajout drsquointervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 avec ajout drsquointervalle de garde

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Remarque pas drsquoentrelacement

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 6: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

Techniques multi porteuses

bull Principe transmissions simultaneacutees sur N porteuses

rarrEmission

rarr Reacuteception

hellip

hellip

N sous canaux

bull Transmissions simultaneacutees sur N porteuses

d0 dN-1d1 hellip

Ts Ts Ts

1Ts

freacutequences

temps

Mono porteuse Multi porteuses

dN-1

d1

d0

hellip

NTs

1NTs

1NTs

1NTs

freacutequences

temps

rarr N sous canaux de largeurs reacuteduites =gt Reacuteduction de la seacutelectiviteacute sur chaque sous canal

rarr N sous porteuses agrave deacutebits reacuteduits=gt Reacuteduction de lrsquoISI sur chaque porteuse

Techniques multi porteuses

S1

S4

S1

S4

ISI = 23 symboles

t

S1

S2

S3

Exemple mise en forme rectangulaire une porteuse

S1

S2

S3t t

S4

S2 S5

t

S3t

S5

S6

S6

ISI = 2 symbolesc(t)

t0

a0 a1a2

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire 3 porteuses

S2 S5

ISI = 23 symboles

S3 S6

ISI = 23 symboles

Techniques multi porteuses

hellip

hellip

Eacutemission Reacuteception

bull Transmissions simultaneacutees sur N porteuses (sans canal)

hellip

hellip

hellip

hellip

hellip

hellip

temps

freacutequences

0

Enveloppe complexe associeacutee au signal multi porteuses

Techniques multi porteuses

bull Forme particuliegravere de multi porteuse mise en forme rectangulairehellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Orthogonaliteacute des porteuses

Inter Carrier Interference (ICI)

Annulation de lrsquointerfeacuterence entre porteuses

ICI = 0

Utilisation optimale de la bande alloueacutee

hellip

Condition drsquoorthogonaliteacute des porteuses

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Implantation numeacuterique par iFFTFFThellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

iFFT

+

PS

SP

+

FFT

Simpliciteacute drsquoimplantation

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Historique

rarr Fin des anneacutees 50 concept multi porteuses

rarr Fin des anneacutees 60 OFDM modems militaires hautes freacutequences peu de porteuses

rarr Brevet en 1970 avec utilisation de la TFD

rarr Anneacutees 80 projet europeacuteen Eureka pour le DAB avec utilisation de la FFT

rarr Deacutebut 90 normalisation du DAB

rarr Fin 90 agrave aujourdrsquohui xDSL (DMT) DVB-T et T2 WLAN (IEEE80211agnac) DVB-H et SH WiMax (IEEE80216de) CPL 4G (LTE) 5G

OFDM historique

S1

S4

t

Info utile Info utileIG1

t

IG0

hellip

S1

S4

ISI = 23 symboles

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

S1

S4

ISI = 0 symboles

Info utile Info utileIG1IG0

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

Interfeacuterence entre symbole (ISI)

Mise en place drsquoun intervalle de garde (IG)

OFDM geacuteneacuteration du signal

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGmIGm+1

t

Intervalle de garde (IG)

Interfeacuterence inter symboles = 0

Dureacutee IG tmax

hellip

iFFT

0

0

helliphellip

rarr Introduit agrave lrsquoeacutemission derriegravere la iFFT

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

IG

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Exemple Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 sans ajout drsquointervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 avec ajout drsquointervalle de garde

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Remarque pas drsquoentrelacement

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 7: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Transmissions simultaneacutees sur N porteuses

d0 dN-1d1 hellip

Ts Ts Ts

1Ts

freacutequences

temps

Mono porteuse Multi porteuses

dN-1

d1

d0

hellip

NTs

1NTs

1NTs

1NTs

freacutequences

temps

rarr N sous canaux de largeurs reacuteduites =gt Reacuteduction de la seacutelectiviteacute sur chaque sous canal

rarr N sous porteuses agrave deacutebits reacuteduits=gt Reacuteduction de lrsquoISI sur chaque porteuse

Techniques multi porteuses

S1

S4

S1

S4

ISI = 23 symboles

t

S1

S2

S3

Exemple mise en forme rectangulaire une porteuse

S1

S2

S3t t

S4

S2 S5

t

S3t

S5

S6

S6

ISI = 2 symbolesc(t)

t0

a0 a1a2

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire 3 porteuses

S2 S5

ISI = 23 symboles

S3 S6

ISI = 23 symboles

Techniques multi porteuses

hellip

hellip

Eacutemission Reacuteception

bull Transmissions simultaneacutees sur N porteuses (sans canal)

hellip

hellip

hellip

hellip

hellip

hellip

temps

freacutequences

0

Enveloppe complexe associeacutee au signal multi porteuses

Techniques multi porteuses

bull Forme particuliegravere de multi porteuse mise en forme rectangulairehellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Orthogonaliteacute des porteuses

Inter Carrier Interference (ICI)

Annulation de lrsquointerfeacuterence entre porteuses

ICI = 0

Utilisation optimale de la bande alloueacutee

hellip

Condition drsquoorthogonaliteacute des porteuses

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Implantation numeacuterique par iFFTFFThellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

iFFT

+

PS

SP

+

FFT

Simpliciteacute drsquoimplantation

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Historique

rarr Fin des anneacutees 50 concept multi porteuses

rarr Fin des anneacutees 60 OFDM modems militaires hautes freacutequences peu de porteuses

rarr Brevet en 1970 avec utilisation de la TFD

rarr Anneacutees 80 projet europeacuteen Eureka pour le DAB avec utilisation de la FFT

rarr Deacutebut 90 normalisation du DAB

rarr Fin 90 agrave aujourdrsquohui xDSL (DMT) DVB-T et T2 WLAN (IEEE80211agnac) DVB-H et SH WiMax (IEEE80216de) CPL 4G (LTE) 5G

OFDM historique

S1

S4

t

Info utile Info utileIG1

t

IG0

hellip

S1

S4

ISI = 23 symboles

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

S1

S4

ISI = 0 symboles

Info utile Info utileIG1IG0

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

Interfeacuterence entre symbole (ISI)

Mise en place drsquoun intervalle de garde (IG)

OFDM geacuteneacuteration du signal

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGmIGm+1

t

Intervalle de garde (IG)

Interfeacuterence inter symboles = 0

Dureacutee IG tmax

hellip

iFFT

0

0

helliphellip

rarr Introduit agrave lrsquoeacutemission derriegravere la iFFT

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

IG

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Exemple Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 sans ajout drsquointervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 avec ajout drsquointervalle de garde

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Remarque pas drsquoentrelacement

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 8: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

S1

S4

S1

S4

ISI = 23 symboles

t

S1

S2

S3

Exemple mise en forme rectangulaire une porteuse

S1

S2

S3t t

S4

S2 S5

t

S3t

S5

S6

S6

ISI = 2 symbolesc(t)

t0

a0 a1a2

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire 3 porteuses

S2 S5

ISI = 23 symboles

S3 S6

ISI = 23 symboles

Techniques multi porteuses

hellip

hellip

Eacutemission Reacuteception

bull Transmissions simultaneacutees sur N porteuses (sans canal)

hellip

hellip

hellip

hellip

hellip

hellip

temps

freacutequences

0

Enveloppe complexe associeacutee au signal multi porteuses

Techniques multi porteuses

bull Forme particuliegravere de multi porteuse mise en forme rectangulairehellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Orthogonaliteacute des porteuses

Inter Carrier Interference (ICI)

Annulation de lrsquointerfeacuterence entre porteuses

ICI = 0

Utilisation optimale de la bande alloueacutee

hellip

Condition drsquoorthogonaliteacute des porteuses

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Implantation numeacuterique par iFFTFFThellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

iFFT

+

PS

SP

+

FFT

Simpliciteacute drsquoimplantation

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Historique

rarr Fin des anneacutees 50 concept multi porteuses

rarr Fin des anneacutees 60 OFDM modems militaires hautes freacutequences peu de porteuses

rarr Brevet en 1970 avec utilisation de la TFD

rarr Anneacutees 80 projet europeacuteen Eureka pour le DAB avec utilisation de la FFT

rarr Deacutebut 90 normalisation du DAB

rarr Fin 90 agrave aujourdrsquohui xDSL (DMT) DVB-T et T2 WLAN (IEEE80211agnac) DVB-H et SH WiMax (IEEE80216de) CPL 4G (LTE) 5G

OFDM historique

S1

S4

t

Info utile Info utileIG1

t

IG0

hellip

S1

S4

ISI = 23 symboles

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

S1

S4

ISI = 0 symboles

Info utile Info utileIG1IG0

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

Interfeacuterence entre symbole (ISI)

Mise en place drsquoun intervalle de garde (IG)

OFDM geacuteneacuteration du signal

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGmIGm+1

t

Intervalle de garde (IG)

Interfeacuterence inter symboles = 0

Dureacutee IG tmax

hellip

iFFT

0

0

helliphellip

rarr Introduit agrave lrsquoeacutemission derriegravere la iFFT

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

IG

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Exemple Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 sans ajout drsquointervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 avec ajout drsquointervalle de garde

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Remarque pas drsquoentrelacement

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

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200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 9: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

hellip

hellip

Eacutemission Reacuteception

bull Transmissions simultaneacutees sur N porteuses (sans canal)

hellip

hellip

hellip

hellip

hellip

hellip

temps

freacutequences

0

Enveloppe complexe associeacutee au signal multi porteuses

Techniques multi porteuses

bull Forme particuliegravere de multi porteuse mise en forme rectangulairehellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Orthogonaliteacute des porteuses

Inter Carrier Interference (ICI)

Annulation de lrsquointerfeacuterence entre porteuses

ICI = 0

Utilisation optimale de la bande alloueacutee

hellip

Condition drsquoorthogonaliteacute des porteuses

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Implantation numeacuterique par iFFTFFThellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

iFFT

+

PS

SP

+

FFT

Simpliciteacute drsquoimplantation

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Historique

rarr Fin des anneacutees 50 concept multi porteuses

rarr Fin des anneacutees 60 OFDM modems militaires hautes freacutequences peu de porteuses

rarr Brevet en 1970 avec utilisation de la TFD

rarr Anneacutees 80 projet europeacuteen Eureka pour le DAB avec utilisation de la FFT

rarr Deacutebut 90 normalisation du DAB

rarr Fin 90 agrave aujourdrsquohui xDSL (DMT) DVB-T et T2 WLAN (IEEE80211agnac) DVB-H et SH WiMax (IEEE80216de) CPL 4G (LTE) 5G

OFDM historique

S1

S4

t

Info utile Info utileIG1

t

IG0

hellip

S1

S4

ISI = 23 symboles

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

S1

S4

ISI = 0 symboles

Info utile Info utileIG1IG0

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

Interfeacuterence entre symbole (ISI)

Mise en place drsquoun intervalle de garde (IG)

OFDM geacuteneacuteration du signal

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGmIGm+1

t

Intervalle de garde (IG)

Interfeacuterence inter symboles = 0

Dureacutee IG tmax

hellip

iFFT

0

0

helliphellip

rarr Introduit agrave lrsquoeacutemission derriegravere la iFFT

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

IG

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Exemple Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 sans ajout drsquointervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 avec ajout drsquointervalle de garde

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Remarque pas drsquoentrelacement

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

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200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 10: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Forme particuliegravere de multi porteuse mise en forme rectangulairehellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Orthogonaliteacute des porteuses

Inter Carrier Interference (ICI)

Annulation de lrsquointerfeacuterence entre porteuses

ICI = 0

Utilisation optimale de la bande alloueacutee

hellip

Condition drsquoorthogonaliteacute des porteuses

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Implantation numeacuterique par iFFTFFThellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

iFFT

+

PS

SP

+

FFT

Simpliciteacute drsquoimplantation

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Historique

rarr Fin des anneacutees 50 concept multi porteuses

rarr Fin des anneacutees 60 OFDM modems militaires hautes freacutequences peu de porteuses

rarr Brevet en 1970 avec utilisation de la TFD

rarr Anneacutees 80 projet europeacuteen Eureka pour le DAB avec utilisation de la FFT

rarr Deacutebut 90 normalisation du DAB

rarr Fin 90 agrave aujourdrsquohui xDSL (DMT) DVB-T et T2 WLAN (IEEE80211agnac) DVB-H et SH WiMax (IEEE80216de) CPL 4G (LTE) 5G

OFDM historique

S1

S4

t

Info utile Info utileIG1

t

IG0

hellip

S1

S4

ISI = 23 symboles

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

S1

S4

ISI = 0 symboles

Info utile Info utileIG1IG0

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

Interfeacuterence entre symbole (ISI)

Mise en place drsquoun intervalle de garde (IG)

OFDM geacuteneacuteration du signal

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGmIGm+1

t

Intervalle de garde (IG)

Interfeacuterence inter symboles = 0

Dureacutee IG tmax

hellip

iFFT

0

0

helliphellip

rarr Introduit agrave lrsquoeacutemission derriegravere la iFFT

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

IG

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Exemple Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 sans ajout drsquointervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 avec ajout drsquointervalle de garde

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Remarque pas drsquoentrelacement

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 11: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Orthogonaliteacute des porteuses

Inter Carrier Interference (ICI)

Annulation de lrsquointerfeacuterence entre porteuses

ICI = 0

Utilisation optimale de la bande alloueacutee

hellip

Condition drsquoorthogonaliteacute des porteuses

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Implantation numeacuterique par iFFTFFThellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

iFFT

+

PS

SP

+

FFT

Simpliciteacute drsquoimplantation

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Historique

rarr Fin des anneacutees 50 concept multi porteuses

rarr Fin des anneacutees 60 OFDM modems militaires hautes freacutequences peu de porteuses

rarr Brevet en 1970 avec utilisation de la TFD

rarr Anneacutees 80 projet europeacuteen Eureka pour le DAB avec utilisation de la FFT

rarr Deacutebut 90 normalisation du DAB

rarr Fin 90 agrave aujourdrsquohui xDSL (DMT) DVB-T et T2 WLAN (IEEE80211agnac) DVB-H et SH WiMax (IEEE80216de) CPL 4G (LTE) 5G

OFDM historique

S1

S4

t

Info utile Info utileIG1

t

IG0

hellip

S1

S4

ISI = 23 symboles

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

S1

S4

ISI = 0 symboles

Info utile Info utileIG1IG0

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

Interfeacuterence entre symbole (ISI)

Mise en place drsquoun intervalle de garde (IG)

OFDM geacuteneacuteration du signal

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGmIGm+1

t

Intervalle de garde (IG)

Interfeacuterence inter symboles = 0

Dureacutee IG tmax

hellip

iFFT

0

0

helliphellip

rarr Introduit agrave lrsquoeacutemission derriegravere la iFFT

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

IG

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Exemple Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 sans ajout drsquointervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 avec ajout drsquointervalle de garde

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Remarque pas drsquoentrelacement

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 12: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Implantation numeacuterique par iFFTFFThellip helliphellip

Mise en forme

h(t)

h(t)

hellip

Trsquos =NTs

Trsquos =NTs

sT

dt

sT

dt

Filtrage adapteacute

ReacuteceptionEacutemission

iFFT

+

PS

SP

+

FFT

Simpliciteacute drsquoimplantation

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Historique

rarr Fin des anneacutees 50 concept multi porteuses

rarr Fin des anneacutees 60 OFDM modems militaires hautes freacutequences peu de porteuses

rarr Brevet en 1970 avec utilisation de la TFD

rarr Anneacutees 80 projet europeacuteen Eureka pour le DAB avec utilisation de la FFT

rarr Deacutebut 90 normalisation du DAB

rarr Fin 90 agrave aujourdrsquohui xDSL (DMT) DVB-T et T2 WLAN (IEEE80211agnac) DVB-H et SH WiMax (IEEE80216de) CPL 4G (LTE) 5G

OFDM historique

S1

S4

t

Info utile Info utileIG1

t

IG0

hellip

S1

S4

ISI = 23 symboles

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

S1

S4

ISI = 0 symboles

Info utile Info utileIG1IG0

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

Interfeacuterence entre symbole (ISI)

Mise en place drsquoun intervalle de garde (IG)

OFDM geacuteneacuteration du signal

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGmIGm+1

t

Intervalle de garde (IG)

Interfeacuterence inter symboles = 0

Dureacutee IG tmax

hellip

iFFT

0

0

helliphellip

rarr Introduit agrave lrsquoeacutemission derriegravere la iFFT

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

IG

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Exemple Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 sans ajout drsquointervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 avec ajout drsquointervalle de garde

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Remarque pas drsquoentrelacement

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 13: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Historique

rarr Fin des anneacutees 50 concept multi porteuses

rarr Fin des anneacutees 60 OFDM modems militaires hautes freacutequences peu de porteuses

rarr Brevet en 1970 avec utilisation de la TFD

rarr Anneacutees 80 projet europeacuteen Eureka pour le DAB avec utilisation de la FFT

rarr Deacutebut 90 normalisation du DAB

rarr Fin 90 agrave aujourdrsquohui xDSL (DMT) DVB-T et T2 WLAN (IEEE80211agnac) DVB-H et SH WiMax (IEEE80216de) CPL 4G (LTE) 5G

OFDM historique

S1

S4

t

Info utile Info utileIG1

t

IG0

hellip

S1

S4

ISI = 23 symboles

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

S1

S4

ISI = 0 symboles

Info utile Info utileIG1IG0

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

Interfeacuterence entre symbole (ISI)

Mise en place drsquoun intervalle de garde (IG)

OFDM geacuteneacuteration du signal

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGmIGm+1

t

Intervalle de garde (IG)

Interfeacuterence inter symboles = 0

Dureacutee IG tmax

hellip

iFFT

0

0

helliphellip

rarr Introduit agrave lrsquoeacutemission derriegravere la iFFT

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

IG

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Exemple Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 sans ajout drsquointervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 avec ajout drsquointervalle de garde

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

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300

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100

200

300

400

500

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

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100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

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100

200

300

400

500

Remarque pas drsquoentrelacement

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

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OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

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500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

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Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

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500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 14: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

S1

S4

t

Info utile Info utileIG1

t

IG0

hellip

S1

S4

ISI = 23 symboles

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

S1

S4

ISI = 0 symboles

Info utile Info utileIG1IG0

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

Interfeacuterence entre symbole (ISI)

Mise en place drsquoun intervalle de garde (IG)

OFDM geacuteneacuteration du signal

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGmIGm+1

t

Intervalle de garde (IG)

Interfeacuterence inter symboles = 0

Dureacutee IG tmax

hellip

iFFT

0

0

helliphellip

rarr Introduit agrave lrsquoeacutemission derriegravere la iFFT

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

IG

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Exemple Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 sans ajout drsquointervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 avec ajout drsquointervalle de garde

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Remarque pas drsquoentrelacement

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 15: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGmIGm+1

t

Intervalle de garde (IG)

Interfeacuterence inter symboles = 0

Dureacutee IG tmax

hellip

iFFT

0

0

helliphellip

rarr Introduit agrave lrsquoeacutemission derriegravere la iFFT

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2

IG

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Exemple Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 sans ajout drsquointervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 avec ajout drsquointervalle de garde

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Remarque pas drsquoentrelacement

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 16: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

Exemple Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 sans ajout drsquointervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Constellations reccedilues sur les porteuses ndeg 3 et 10 avec ajout drsquointervalle de garde

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Remarque pas drsquoentrelacement

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 17: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 16 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Remarque pas drsquoentrelacement

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

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Transmitted image

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Transmitted image

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100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

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300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

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500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

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300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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100

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300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 18: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Effet du canal de transmission ajout drsquoun intervalle de garde

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses sans IG

Image reccedilue Transmission sur 2048 porteuses avec IG

c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts)

Image eacutemiseTransmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue transmission monoporteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Remarque pas drsquoentrelacement

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 19: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

t

Info utileSymbole m-1Porteuse 0

Info utileSymbole mPorteuse 0

IGm IGm+1

t

IG =gt Interfeacuterence inter symboles = 0

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) 3 porteuses visualisation porteuse 0

OFDM geacuteneacuteration du signal

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

0

0hellip

hellip

iFFT

Interfeacuterence

intra

symboles

= 0

IG

Interfeacuterence intra symbole

Mise en place drsquoun preacutefixe cyclique (PC) derriegravere la iFFT

bull Effet du canal de transmission sur chaque porteuse

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 20: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Effet du canal de transmission sur lrsquoensemble des porteuses

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

FFTm

a0 Fm(0)

a2 Fm(0)+a1 Fm(1)+a0 Fm(2)

a2 Fm(N-3)+a1 Fm(N-2)+a0 Fm(N-1)

iFFTm

dm(0)

dm(1)

dm(2)

dm(N-1)

Fm(0)

Fm(1)

Fm(2)

Fm(N-1)

c(t)

t0

a0 a1a2

hellip

a1 Fm(0)+a0 Fm(1)

helliphelliphellip

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellip

a1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Mise en forme non rectangulaire =gt ICI

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

0 0

0

+ +

lt=gt

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 21: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Preacutefixe cyclique

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

hellip

FFTma1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

hellipa1 Fm(0)

hellip

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip hellip

Permutation circulaire des entreacutees =gt phase en sortie de la FFT

a0 dm(0)

a0 dm(1)

a0 dm(2)

a0 dm(N-1)

Donneacutees attendues(atteacutenueacutees de a0)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+ +

hellip iFFT

hellip

tmax

c(t)

t0

a0 a1a2PC

hellip

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts)

a2 Fm(N-1)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Dureacutee PC tmax

Perte accepteacutee 20 agrave 25 du deacutebit utile =gt dimensionnement de N

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

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100

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300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

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300

400

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200

300

400

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400

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100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 22: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

N

plj

mN

pljN

i

N

ilj

m

p

i

N

plj

N

ilj

mN

pljN

pi

N

ilj

m

p

i

N

l)pNi(j

m

N

pi

N

l)pi(j

mm e)l(dee)i(Feee)i(Fee)i(Fe)i(Fe)i(F)l(d~ lj

+

aa

+a

+a

221

0

21

0

2221 21

0

21 2 2

N

plj

m e)l(d

a2

Rotation de la constellation

Voie l

Compressiondilatation

de la constellation

FFTm

a Fm(p)

a Fm(N-1)

a0 Fm(N-p)

helliphellip

a Fm(0)

Deacutecalage de p

eacutechantillons avec

permutation circulaire

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Un coefficient complexe lieacute au canal(sur chaque porteuse)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 23: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Preacutefixe cyclique

Exemple mise en forme rectangulaire c(t)=a0d(t)+a1d(t-Ts)+a2d(t-2Ts) sortie voie l

FFTm

a0 Fm(0)

a0 Fm(2)

a0 Fm(N-1)

hellip

a0 Fm(1)

a1 Fm(1)

a1 Fm(N-2)

a1 Fm(0)

FFTma2 Fm(0)

a2 Fm(N-3)

hellip

a0 dm(l)

a1 Fm(N-1) a2 Fm(N-2)

+a2 Fm(N-1)N

lj

m e)l(d

a2

1 +N

lj

m e)l(d2

2

2

a

Coefficient complexe lieacute au canalSur la porteuse l C(l)

hellip

FFTm

)l(dee)l(d~

mN

lj

N

lj

m

a+a+a

2

2

2

2

10

Symbole attendu

OFDM geacuteneacuteration du signal

Remarque

TFD

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 24: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

0 2 4 6 8 10 12 14 1604

06

08

1

12

14

16

18

2

ndeg porteuses

|FT

| canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

|C(3)| = 12109

|C(10)|=06644

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

|C(f)|

OFDM geacuteneacuteration du signal

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 25: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

0 2 4 6 8 10 12 14 16-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

ndeg porteuses

Arg

(FT

) canal

c(t)=d(t)+05d(t-Ts)+02d(t-2T

s)

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

porteuse 3 porteuse 10

Arg[C(3)] = -298869degC

Arg[C(10)]=-+133669degC

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

Arg [C(f)]

OFDM geacuteneacuteration du signal

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 26: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

rarr Canal sans bruit BPSK eacutemise sur 16 porteuses

Constellations reccedilues porteuses ndeg 3 et 10

Sans intervalle de garde Avec intervalle de garde

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

Avec preacutefixe cyclique

121-2988deg

066 +1336deg

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 4

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-2

-1

0

1

2porteuse 11

OFDM geacuteneacuteration du signal

c(t)= d(t) + 05 d(t-Ts)+02 d(t-2Ts)

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde

Image reccedilue avec intervalle de garde

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 27: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

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OFDM geacuteneacuteration du signal

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bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

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OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 28: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

Image reccedilue sans ajout drsquointervalle de garde avec eacutegalisation

Image reccedilue avec intervalle de garde et eacutegalisation

Image eacutemiseTransmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Image reccedilue avec preacutefixe cyclique et eacutegalisation

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Transmitted image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

Received image

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

100

200

300

400

500

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Intervalle de garde Preacutefixe cyclique exemple

rarr Canal sans bruit c(t)= 0407 d(t) + 0815 d(t-Ts)+0407 d(t-2Ts) 16 porteuses

Remarque pas drsquoentrelacement

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 29: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

rarr Egalisation tregraves simple filtre agrave un coefficient (ZFE MMSE)

=gt Estimation de canal pilotes voie retour

rarr Aide agrave la synchronisation minus Introduction de redondance par le CP minus Surdimensionnement du CP =gt tolegravere de la gigue de phase horloge

bull Inteacuterecirct du preacutefixe cyclique

bull Si voie retour + canal variant lentement dans le temps

rarr Possibiliteacute de laquo bit loading raquo

Maximiser le deacutebit agrave probabiliteacute drsquoerreur identique sur chaque porteuse

rarr Possibiliteacute de laquo Waterfilling raquo

A puissance totale constante augmentation de la capaciteacute par allocation intelligente de la puissance par porteuse

OFDM geacuteneacuteration du signal

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 30: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Support physique

Station 1 Station 2

(PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent)

Couche 2 du modegravele OSI

liaison de donneacutees MAC

Couche 1 du modegravele OSI

couche physique

PLCP

PMD

Normalisation Bande Deacutebit PHY maxStandard

1997 24 GHz 2 MbitsIEEE 80211 (legacy)

1999 5 GHz 54 MbitsIEEE 80211a (WiFi 5)

1999 24 GHZ 11 MbitssIEEE 80211b (WiFi)

2003 24 GHz 54 MbitssIEEE 80211g

Porteacutee max (indout)

20100 m

2575 m

35100 m

2575 m

2009 245 GHz 540 MbitssIEEE 80211n 50125 m

2014 5 GHz 1300 MbitssIEEE 80211ac 2050 m

2019 245 GHz 10 GbitssIEEE 80211ax

bull Exemple 1 drsquoapplication de lrsquoOFDM le WiFi laquo haut deacutebit raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 31: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Standards IEEE80211a g (OFDM sans MIMO sans agreacutegation de canaux)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Deacutebit

4 bits

Reacuteserveacute

1 bit

Longueur

12 bits

Pariteacute

1 bit

Queue

6 bits

Service

16 bits PSDUQueue

6 bits bourrage

Preacuteambule PLCP Signal Donneacutees

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Physical Protocol Unit

Logical Protocol Unit

Sous couche PMD champs donneacutees Sous couche PMD

champs signal

Sous couche PMD

preacuteambule

12 symboles OFDM

Deacutebit (Mbps) Codage

6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Codage convolutif (7 frac12)

1 symbole OFDM

Mapping BPSK

Taux de codage 12

Deacutebit 6 Mbps

Un nombre variable mais entier de symboles OFDM

Mapping taux de codage et donc deacutebits variables

Entecircte PLCP

P

M

D

P

L

C

P

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 32: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

Bande ISM 2400-24835 GHz 3 canaux sans recouvrement

Bande UNII 5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz 84 canaux sans recouvrement

OFDM geacuteneacuteration du signal

bull Exemple IEEE80211a g sous couche PMD champs donneacutees

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 33: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

Mapping

Entrelaceur

Codeurconvolutif

Embrouilleur

SP

hellip

hellip Modulation OFDM hellip PS

laquo Donneacutees raquo

OFDM geacuteneacuteration du signal

SP + ajout de pilotes

820 2226 -6-1-26-221 6

Pilote 4Pilote 1 Pilote 2 Pilote 3

IFFT 64-points

48 + 4

0hellip00

0 1 hellip 26 38 hellip

-20-80

Partie positive du spectre Partie neacutegative du spectre

hellip

Ajout preacutefixe cyclique 16 eacutechantillons

BPSK QPSK 16 et 64 QAM

hellip

Donneacutees binaires

OFDM

(Canal de 20 MHz(1) tmax=300 ns PC = 800 ns)

(1)Canal de 20 MHz =gt 3 canaux sans recouvrement en bande ISM (2400-24835 GHz) 84 canaux sans recouvrement en bande UNII (5 15-525 GHz 5 25-535 GHz 5725-5850 GHz)

bull Standards IEEE80211a g sous couche PMD champs laquo donneacutees raquo

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 34: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Exemple 2 drsquoapplication de lrsquoOFDM la teacuteleacutevision numeacuterique terrestre (TNT)

OFDM geacuteneacuteration du signal

Norme DVB-T

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Canal

hertzien

terrestre

Codeur

ExterneEntrelaceur

Externe

Codeur

Interne

Adaptation

MUX transport

Dispersion

drsquoEnergie

Mapping

QAM

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Intervalle

De garde

Interface

physique

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

Codage source et multiplexage

ES PES

Programme 1

Codeur Video

Codeur Audio

Donneacutees

ES PES

Programme N

hellip

PCRSTC 1

PCRSTC N

Information speacutecifique des programmes

Diviseur

De flux

Train

Transport

Haute prioriteacute

Basse prioriteacute

Entrelaceur

Interne

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 35: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Partie OFDM du DVB-T

OFDM geacuteneacuteration du signal

M-QAMdk

bk

Deux modes OFDM - Mode 2K = 2048 porteuses dont 1705 utiles (Trsquos = 224ms)- Mode 8K (reacuteseau SFN)= 8192 porteuses dont 6817 utiles (Trsquos = 896ms)

Quatre longueurs de preacutefixe cyclique possibles PCTrsquos 14 18 116 132

QPSK agrave 64-QAM

Possibiliteacute de constellations non uniformes

hellip iFFT

hellipPC

hellipAdaptationde trame

helliphellip

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 36: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

Data rate (Mbps)

Modulation Coding Rate Coded bits per subcarrier

Coded bit per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6 BPSK frac12 1 48 24

9 BPSK frac34 1 48 36

12 QPSK frac12 2 96 48

18 QPSK frac34 2 96 72

24 16-QAM frac12 4 192 96

36 16-QAM frac34 4 192 144

48 64-QAM 23 6 288 192

54 64-QAM frac34 6 288 216

IEEE

80211

ag

DVB-T

PERFORMANCES

CN for BER=210-4 after Viterbi ie QEF after RS Bit rate (Mbits)

Modulation Code rate Gaussien channel Rice channel Rayleigh channel DTU=14 DTU=18 DTU=116 DTU=132

QPSK 12 31 36 54 498 553 585 603

QPSK 23 49 57 84 664 737 781 804

QPSK 34 59 68 107 746 829 878 905

QPSK 56 69 80 131 829 922 976 1005

QPSK 78 77 87 163 871 968 1025 1056

16-QAM 12 88 96 112 995 1106 1171 1206

16-QAM 23 111 116 142 1327 1475 1561 1609

16-QAM 34 125 130 167 1493 1659 1756 1810

16-QAM 56 135 144 193 1659 1843 1952 2011

16-QAM 78 139 150 228 1742 1935 2049 2111

64-QAM 12 144 147 160 1493 1659 1756 1810

64-QAM 23 165 171 193 1991 2212 2342 2413

64-QAM 34 180 186 217 2239 2488 2635 2714

64-QAM 56 193 200 253 2488 2765 2927 3016

64-QAM 78 201 210 279 2613 2903 3074 3167

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 37: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

43125 kHz

POTS

RNIS

f

Max 3dB

256 porteuses

Voie montante 1 ndash 20Voie descendante 1 ou 21 ndash 256Un pilote 96QPSK agrave 256 QAM

PC = 8 porteuses Deacutebit = 4 kbauds Possibiliteacute de Bit loading et de waterfilling

Ad

d

CP

Pu

lse

shap

ing

Tones ordering

Hermitic vector

iFFT

Interpolation

DAC

Analog Part

Couche physique - Recommandation G9921 (GDMT) de lrsquoUIT

OFDM geacuteneacuteration du signal

Constellation encoder

bull Exemple 3 drsquoapplication de lrsquoOFDM (DMT) les modems xDSL

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 38: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Chaicircne drsquoeacutemission complegravete laquo C raquo OFDM

OFDM geacuteneacuteration du signal

Mappingbitshellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

Zero

padding

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

- Code megravere (712)+ Poinccedilonnnage (12 23 frac34)

- Deux entrelaceurs bloc

Exemple IEEE80211 a

- Codage concateacuteneacute RS(204188)convolutif (712) + poinconnage (12 23 frac34 56 78)

- Deux entrelaceurs convolutif (Forney) + bloc

Exemple DVB-T

Une solution pour la reacuteduction de la puissance hors bande

(Respect du masque de puissance )

Sans fenecirctre (rectangulaire)

a

petit

a

grand

Exemple RCW proposeacutee dans lrsquoIEEE80211 a

- Une solution pour passage au signal reacuteel

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 39: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

Mappingbits hellip

Codage Canal+

Doubleentrelacement

(Zero

Padding)

helliphellip

0

0

helliphellip

hellip hellip

PC (Fenecirctrage) hellip

Re

cos(2fpt)

CNA

Im

sin(2fpt)

CNA

iFFT

CAN

Synchro horloge

CAN

hellip

helliphellip

hellip

hellipSuppression

PC

helliphellip

0

0

hellip

Suppression

des zeacuteros

DemappingbitsDeacutecodage Canal

etdeacutesentrelacement

Synchro porteuse

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Emission

rarr Reacuteception

FFT

j

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 40: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

PCSymbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

hellip

FFTm

hellip

FFTm

hellip

rarr Synchronisation horloge

rarr Synchronisation correcte

rarr Erreur de phase

rarr Erreur de freacutequence

n0

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 41: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Problegravemes de synchronisation

OFDM reacuteception du signal

rarr Synchronisation porteuse

Re CNA

Im CNA

Emission passage en bande transposeacutee Reacuteception retour en bande de base

CAN

CAN

Erreur de freacutequence

Erreur de phase

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 42: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Synchronisation de phase horloge impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

PC (D)Symbole m-1

Symbole m

Info utile

tmax

FFTm

tlt Dtmax

tmax

FFTm

Rotation de la constellationsur chaque porteuse

FFTm

Atteacutenuation

Exemple de deacutegradation du TEB sur la porteuse l moduleacutee en BPSK (apregraves eacutegalisation)

Interfeacuterences

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 43: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Synchronisation de phase horloge par mesure de correacutelation

rarr Estimateurs agrave base de symboles pilotes Moose (Ref 4) Schmidl ampCox (Ref 5)

Preacuteambule

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

Exemple sur le IEEE80211a geacuteneacuteration de redondance dans un preacuteambule

Symbole courts Symbole longs

rarr Utilisation du preacutefixe cyclique Van de Beek (Ref 6)

0 10 20 30 40 50 60 700

002

004

006

008

01

012

014

016

018

BPSK-gt64-QAM

frac12 23 frac34

BPSK 12

OFDM synchronisation

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 44: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

Adaptation

de trameOFDM

Insertion

Preacutefixe

cyclique

Entrelaceur

InterneFlux

2

2 agrave 4

1 ou 2

HP

BP

Canal

hertzien

terrestre

Interface

physique

Mapping

QAM

bull Exemple du DVB-T porteuses pilotes

0 1 67

N = 1705 (2K) ou 6817 (8K) cellules

Une super trame = 4 trames =gt nombre entier de paquets RS par super trame

Une trame =gt 68 symboles OFDM

Un symbole ofdm = N sous-porteuses + un preacutefixe cyclique (PC)

0 1 NPC

Donneacutees (symboles QAM)

Informations de reacutefeacuterence

hellip

hellip

synchronisation estimation de canal

t

f

Pilotes disperseacutes

Sous-porteuses pilotes

Tramsmitting Parameter Signaling (TPS)

Informations de reacutefeacuterence

68 bits un bit TPS par trame sur plusieurs porteuses Modulation DBPSK

Modulation DBPSK Puissance gt1

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 45: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Synchronisation de freacutequence horloge

eacutechantillonnage FFT

rarr Conseacutequence drsquoune erreur de freacutequence horloge b

Atteacutenuation + rotation + ISI

rarr Estimation

OFDM synchronisation

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 46: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

numeacutero de porteuse

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesCorrectement rameneacutes en bande de base

Spectres sur les diffeacuterentes porteusesRameneacutes avec une erreur de freacutequence

Atteacutenuation

ICI

05 1 15 2 25 3 35 4

10-3

10-2

10-1

100

101

numeacutero de porteuse

rarr Deacutegradation sur le TEB (Ref 3)

(OFDM)(Monoporteuse)

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 47: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

Monoporteuse SRRCF

OFDM 128 sous-porteuses QPSK

DfRs=0018

DfRs=000018

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15avec erreur de freacutequence

-2 -15 -1 -05 0 05 1 15 2-15

-1

-05

0

05

1

15

2

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

256 porteuses QPSK

1024 porteuses QPSK512 porteuses QPSK

-15 -1 -05 0 05 1 15-15

-1

-05

0

05

1

15

128 porteuses QPSK

OFDM DfRs=000018

bull Synchronisation de freacutequence porteuse impact drsquoune erreur

OFDM synchronisation

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 48: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Synchronisation de freacutequence porteuse par mesure de rotation

rarr Attention ambiguiumlteacute agrave lever sur la mesure

rarr Correction devant la FFT

bull Synchronisation de phase porteuse

bull Jitter de phase

rarr Rotation de la constellation sur chaque porteuse

rarr Estimation et correction derriegravere la FFT (avec estimation canal)

rarr Deacutegradation sur le TEB

(OFDM)(Monoporteuse)

rarr Etape preacutealable synchronisation de phase horloge

rarr Mesure de la rotation entre eacutechantillons du symbole pilote

OFDM synchronisation

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 49: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

rarr Vers une distribution Gaussienne pour les eacutechantillons des symboles OFDM

rarr Fluctuations drsquoenveloppe =gt Problegraveme en preacutesence de non lineacuteariteacutesrarr Mesure pour correction sur chaque symbole

rarr Correction lineacutearisation ou preacutedistorsion des amplificateurs techniques de traitement de signal(7-11) (eacutecreacutetage codageembrouillage ajout de signal Tone reservation modification de la constellation ACE)

bull Problegraveme poseacute mesure (PAPR Peak to Average Power Ratio)

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en BPSK BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

0 05 1 15 2 25 3

x 104

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2signal SRRCF moduleacute en 16QAM BPSK sur chaque porteuse en OFDM

signal ofdm

signal SRRCF

OFDM facteur de crecircte

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 50: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

hellip

iFFTCalculPAPR

PAPR 1

PAPR M

V1(0)

V1(N-1)

Seacutelection de la

seacutequence de plus

faible PAPR

N iFFT

iFFTVM(0)

VM(N-1)

dm(0)

dm(N-1)

Fmp(0)

Fmp(N-1)

Fm1(0)

Fm1(N-1)

CalculPAPR

FmM(0)

FmM(N-1)

bull Exemple drsquoembrouillage Selected Mapping

OFDM reacuteduction du facteur de crecircte

M vecteurs Aleacuteatoires et indeacutependants

Numeacutero de la seacutequence agrave

transmettre au reacutecepteur

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 51: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

Standard Bande de

freacutequence

utiliseacutee

(GHz)

Largeur

de

bande

(MHz)

Intervalle

de garde

(ns)

Deacutebit

utile

(Mbps)

par flux

MIMO

Mapping Taux de

codage

Nombre

max de

flux

MIMO

Mod Porteacutee (m)

Inteacuterieur Exteacuterieur

80211

(1997)

24 22 - 12 - FHSS

DSSS

20 100

80211b

(1999)

24 22 - 1 2 55

11

- DSSS 35 140

80211a

(1999)

5 20 800 6 9 12

18 24

36 48

54

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

1 OFDM 35 120

80211g

(2003)

24 DSSS

OFDM

38 140

80211n

(2009)

24 5 20 400 800 65 agrave

722

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

Convolutif

frac12 23 frac34

56

LDPC

(option)

4 OFDM 70 (24 GHz)

35 (5 GHz)

250

25040 15 agrave 150

80211ac

(2014)

5

avec

Beamforming

20 400 800 65 agrave 96 BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

8 35

40 135 agrave

200

80 292 agrave

433

BPSK

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM

(option)

160

(option)

585 agrave

866

Couches physiques des standards IEEE80211

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 52: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

Evolution du DVB-T le DVB-T2

DVB-T DVB-T2

Codage canalConvolutif 12 23 34 56 78

+ RS(204188)LDPC + BCH 12 35 23 34 45 56

Modulations QPSK 16QAM 64QAM QPSK 16QAM 64QAM 256QAM

Intervalle de garde 14 18 116 132 14 19256 18 19128 116 132 1128

Modes OFDM 2k 8k1k 2k 4k 8k 16k 32k

Gestion du PAPR possibiliteacute MISO

Largeur de bande 6 7 ou 8 MHz 17 5 6 7 8 10 MHz

Pilotes disperseacutes 8 of total 1 2 4 8

Pilotes continus 26 of total 035

Exemples de comparaison

- UK MFN DVB-T (64-QAM 2k 23 IG=132) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 IG=1128) 2413 Mbits -gt 354 Mbits (+465)

- Italian SFN DVB-T (64-QAM 8k 23 IG=14) DVB-T2 (256-QAM 32k 35 GI=116) 1991 Mbits -gt 333 Mbits (+67)

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 53: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

bull Version modifieacutee ADSL Lite (GLite Rec ITU G9922 1999)

Version laquo alleacutegeacutee raquo splitterless 128 porteusesRecouvrement + annulateur drsquoeacutecho512 kbps montant 15 Mbps descendant

La famille xDSL modulation DMT

bull Evolutions ReADSL (2003 G9933 Annex L)

bull ADSL (GDMT Recommandation ITU G9921 1999)

Solution asymeacutetrique (VoD)Seacutelectiviteacute en freacutequences =gt DMT Flux MPEG2 =gt codage canal16 agrave 640 kbps

Distance Deacutebits

55 km 1544 Mbps

49 km 2048 Mbps

37 km 6312 Mbps

27 km 8448 Mbps

PSD (dBmHz)

138 1104 f (kHz)

-365

552

-335

bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

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bull VDSL

Solution symeacutetrique ou asymeacutetriqueContexte FTTN ou FTTCab

1544 agrave 23 Mbps en mode FDMDMT agrave 2562

nsous porteuses n=2 3 ou 4

Distance Deacutebits

300 m 5184 Mbps

1000 m 2592 Mbps

1500 m 1296 Mbps

bull Evolutions ADSL2 (G9933 2002) puis 2+ (G9935 2003)

Doublement de la bande

Porteacutee reacuteduite

Optionnel utilisation bande POTS

Distance Deacutebits

1400 m 16 Mbps

2000 m 10 Mbps

3000 m 4 Mbps

La famille xDSL modulation DMT

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

Page 55: OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexingthomas.perso.enseeiht.fr/transparents_ofdm_19_20.pdf · 2019-10-03 · Plan du cours • La modulation OFDM →Contexte →Génération

(2) laquo OFDM Concepts for Future Communication Systems (Signals and Communication Technology) raquo H Rohling Signals and communication technology Springer avril 2013

(3) laquo BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise raquo TPollet PSpruyt M Moeneclaey IEEE Trans On Comm Vol 43 ndeg234 95(4) laquo A technique for OFDM frequency offset correction raquo PHMoose IEEE Trans On Comm Vol 42 ndeg10 oct 94(5) laquo Robust frequency and timing synchronization for OFDM raquo TMSchmidl and DCCox IEEE Trans On Comm Vol 45 ndeg12 dec97(6) laquo ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems raquo JHVan de Beek MSandell POBoumlrjesson IEEE Trans On Signal Proc Vol 45 ndeg7 july 97

(1) laquo Data transmission by frequency division multiplexing using discrete Fourier transform raquo S B Weinstein P M Ebert IEEE Trans On CommTech Vol COM-19 ndeg5 oct 71

(7) laquo A comparison of peak power reduction schemes for OFDM raquo S H Muumlller JB Huber Proc GLOBECOMrsquo97(8) laquo Peak-to-Average Power Ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequenceraquo LJ Cimini IEEE Comm Letters Vol 4 ndeg3 march 2000(9) laquo Peak-to-Mean Power Control in OFDM Golay complementary sequences and Reed-Muller CodesraquoJA Davis J Jedwab IEEE Trans On Information Theory Vol 45 ndeg7 nov99(10) laquo Peak Power Reduction for multicarrier transmission raquo JTellado JM Cioffi Proc GLOBECOMrsquo99(11) ETSI EN 302 755 V111 (2009-09) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting(DVB) Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial televisionbroadcasting system (DVB-T2)

bull Geacuteneacuterales sur lrsquoOFDM

bull Synchronisation OFDM

bull Facteur de crecircte OFDM

Quelques reacutefeacuterences

bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

Quelques reacutefeacuterences

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bull Standards IEEE80211

- Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification IEEE Std 80211 1999 - High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band IEEE Std 80211a 2000 - Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 24 GHz Band IEEE Std 80211g 2003 - IEEE 80211n-2009mdashAmendment 5 Enhancements for Higher Throughput IEES-SA 29 October 2009- The IEEE 80211g standard for High Data Rate WLANs D Vassis G Kormentzas A Rouskas and I Maglogiannis

IEEE Network Vol 19 May-June 2005 p21-26- B Crow ldquoIEEE 80211 Wireless Local Area Networksrdquo IEEE Commun Mag vol 35 no 9 pp 116-126 Sept

1997 - Capacity Coverage and Deployment Considerations for IEEE80211g White paper Cisco Systems

bull Normes DVB terrestres

‒ laquo La teacuteleacutevision numeacuterique satellite cacircble TNT ADSL raquo Herveacute Benoicirct Dunod

‒ Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure channel coding and modulation for digital terrestrial television norme ETSI EN 300 744

‒ Digital Video Broadcasting (DVB)Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) ETSI EN 302 755 V131 (2011-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) -coexistence of ADSL and ISDN-BA on the same pair raquo ANSI T1413 - 1998 modified norme ETSI TS 101 388 v111 (1998-11)

‒ laquo Transmission and Multiplexing (TM) Acess transmission systems on metallic access cables Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL) ndash Part 2 transceiver specifications norme ETSI TS 101 270-2 v111 (2001-02)

bull Modems xDSL

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