OFDM,OFDM是什么意思

基本原理
　　OFDM —— OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復用技術，實際上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多載波調制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾 ICI 。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。在向B3G/4G演進的過程中，OFDM是關鍵的技術之一，可以結合分集，時空編碼，干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術，最大限度的提高了系統性能。包括以下類型：V-OFDM,W-OFDM,F-OFDM,MIMO-OFDM,多帶-OFDM。

發展歷史
　　上個世紀70年代，韋斯坦（Weistein）和艾伯特（Ebert）等人應用離散傅里葉變換（DFT）和快速傅里葉方法（FFT）研制了一個完整的多載波傳輸系統，叫做正交頻分復用（OFDM）系統。
　　OFDM是正交頻分復用的英文縮寫。正交頻分復用是一種特殊的多載波傳輸方案。OFDM應用離散傅里葉變換（DFT）和其逆變換（IDFT）方法解決了產生多個互相正交的子載波和從子載波中恢復原信號的問題。這就解決了多載波傳輸系統發送和傳送的難題。應用快速傅里葉變換更使多載波傳輸系統的復雜度大大降低。從此OFDM技術開始走向實用。但是應用OFDM系統仍然需要大量繁雜的數字信號處理過程，而當時還缺乏數字處理功能強大的元器件，因此OFDM技術遲遲沒有得到迅速發展。
　　近些年來，集成數字電路和數字信號處理器件的迅猛發展，以及對無線通信高速率要求的日趨迫切，OFDM技術再次受到了重視。
　　在上個世紀60年代已經提出了使用平行數據傳輸和頻分復用(FDM)的概念。1970年，美國發明和申請了一個專利，其思想是采用平行的數據和子信道相互重疊的頻分復用來消除對高速均衡的依賴，用于抵制沖激噪聲和多徑失真，而能充分利用帶寬。這項技術最初主要用于軍事通信系統。但在以后相當長的一段時間，OFDM理論邁向實踐的腳步放緩了。由于OFDM各個子載波之間相互正交，采用FFT實現這種調制，但在實際應用中，實時傅立葉變換設備的復雜度、發射機和接收機振蕩器的穩定性以及射頻功率放大器的線性要求等因素部成為OFDM技術實現的制約條件。在二十世紀80年代，MCM獲得了突破性進展，大規模集成電路讓FFT技術的實現不再是難以逾越的障礙，一些其它難以實現的困難也部得到了解決，自此，OFDM走上了通信的舞臺，逐步邁向高速數字移動通信的領域[1]。

應用情況
　　由于技術的可實現性，在二十世紀90年代，OFDM廣泛用干各種數字傳輸和通信中，如移動無線FM信道，高比特率數字用戶線系統(HDSL)，不對稱數字用戶線系統(ADSL)，甚高比特率數字用戶線系統娜HDSI〕，數字音頻廣播(DAB)系統，數字視頻廣播(DVB)和HDTV地面傳播系統。1999年，IEEE802.lla通過了一個SGHz的無線局域網標準，其中OFDM調制技術被采用為物理層標準，使得傳輸速率可以達54MbPs。這樣，可提供25MbPs的無線ATM接口和10MbPs的以太網無線幀結構接口，并支持語音、數據、圖像業務。這樣的速率完全能滿足室內、室外的各種應用場合。歐洲電信組織(ETsl)的寬帶射頻接入網的局域網標準Hiperi耐2也把OFDM定為它的調制標準技術。
　　2001年，IEEE802.16通過了無線城域網標準，該標準根據使用頻段的不同，具體可分為視距和非視距兩種。其中，使用2一11GHz許可和免許可頻段，由于在該頻段波長較長，適合非視距傳播，此時系統會存在較強的多徑效應，而在免許可頻段還存在干擾問題，所以系統采用了抵抗多徑效應、頻率選擇性衰落或窄帶干擾上有明顯優勢的OFDM調制，多址方式為OFDMA。而后，IEEE802.16的標準每年都在發展，2006年2月，IEEE802.16e(移動寬帶無線城域網接入空中接口標準)形成了最終的出版物。當然，采用的調制方式仍然是OFDM。
　　2004年11月，根據眾多移動通信運營商、制造商和研究機構的要求，3GPP通過被稱為LongTermEvolution(LTE)即“3G長期演進”的立項工作。項目以制定3G演進型系統技術規范作為目標。3GPP經過激烈的討論和艱苦的融合，終于在2005年12月選定了LTE的基本傳輸技術，即下行OFDM，上行SC(單載波關FDMA。OFDM由于技術的成熟性，被選用為下行標準很快就達成了共識。而上行技術的選擇上，由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些設備商認為會增加終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時間，一些則認為可以通過濾波，削峰等方法限制峰均比。不過，經過討論后，最后上行還是采用了SC一FDMA方式。擁有我國自主知識產權的3G標準一一TD-SCDMA在LTE演進計劃中也提出了TD一CDM一OFDM的方案B3G/4G是ITU提出的目標，并希望在2010年予以實現。B3G/4G的目標是在高速移動環境下支持高達100Mb/S的下行數據傳輸速率，在室內和靜止環境下支持高達IGb/S的下行數據傳輸速率。而OFDM技術也將扮演重要的角色[2]。
技術比較
　　CDMA與OFDM之技術比較
　　頻譜利用率、支持高速率多媒體服務、系統容量、抗多徑信道干擾等因素是目前大多數固定寬帶無線接入設備商在選擇CDMA（碼分多址）或OFDM（正交頻分復用）作為點到多點（PMP）的關鍵技術時的主要出發點。而這兩種技術在這些方面都各有所長，因此設備商需要根據實際情況權衡利弊，進行綜合分析，從而做出最佳選擇。
　　CDMA技術是基于擴頻通信理論的調制和多址連接技術。OFDM技術屬于多載波調制技術，它的基本思想是將信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各個子載波并行傳輸。OFDM和CDMA技術各有利弊。CDMA具有眾所周知的優點，而采用多種新技術的OFDM也表現出了良好的網絡結構可擴展性、更高的頻譜利用率、更靈活的調制方式和抗多徑干擾能力。下面主要從調制技術、峰均功率比、抗窄帶干擾能力等角度分析這兩種技術在性能上的具體差異。
　　——調制技術。一般來說，無線系統中頻譜效率可以通過采用16QAM（正交幅度調制）、64QAM乃至更高階的調制方式得到提高，而且一個好的通信系統應該在頻譜效率和誤碼率之間獲得最佳平衡。
　　在CDMA系統中，下行鏈路可支持多種調制，但每條鏈路的符號調制方式必須相同，而上行鏈路卻不支持多種調制，這就使得CDMA系統喪失了一定的靈活性。并且，在這種非正交的鏈路中，采用高階調制方式的用戶必將會對采用低階調制的用戶產生很大的噪聲干擾。
　　在OFDM系統中，每條鏈路都可以獨立調制，因而該系統不論在上行還是在下行鏈路上都可以容易地同時容納多種混合調制方式。這就可以引入“自適應調制”的概念。它增加了系統的靈活性，例如，在信道好的條件下終端可以采用較高階的如64QAM調制以獲得最大頻譜效率，而在信道條件變差時可以選擇QPSK（四相移相鍵控）調制等低階調制來確保信噪比。這樣，系統就可以在頻譜利用率和誤碼率之間取得最佳平衡。此外，雖然信道間干擾限制了某條特定鏈路的調制方式，但這一點可以通過網絡頻率規劃和無線資源管理等手段來解決。
　　——峰均功率比（PAPR）。這也是設備商們應該考慮的一個重要因素。因為PAPR過高會使得發送端對功率放大器的線性要求很高，這就意味著要提供額外功率、電池備份和擴大設備的尺寸，進而增加基站和用戶設備的成本。
　　CDMA系統的PAPR一般在5～11dB，并會隨著數據速率和使用碼數的增加而增加。目前已有很多技術可以降低CDMA的PAPR。
　　在OFDM系統中，由于信號包絡的不恒定性，使得該系統對非線性很敏感。如果沒有改善非線性敏感性的措施，OFDM技術將不能用于使用電池的傳輸系統和手機等。目前有很多技術可以降低OFDM的PAPR。
　　——抗窄帶干擾能力。CDMA的最大優勢就表現在其抗窄帶干擾能力方面。因為干擾只影響整個擴頻信號的一小部分；而OFDM中窄帶干擾也只影響其頻段的一小部分，而且系統可以不使用受到干擾的部分頻段，或者采用前向糾錯和使用較低階調制等手段來解決。
　　——抗多徑干擾能力。在無線信道中，多徑傳播效應造成接收信號相互重疊，產生信號波形間的相互干擾，使接收端判斷錯誤。這會嚴重地影響信號傳輸的質量。
　　為了抵消這種信號自干擾，CDMA接收機采用了RAKE分集接收技術來區分和綁定多路信號能量。為了減少干擾源，RAKE接收機提供一些分集增益。然而由于多路信號能量不相等，試驗證明，如果路徑數超過7或8條，這種信號能量的分散將使得信道估計精確度降低，RAKE的接收性能下降就會很快。
　　OFDM技術與RAKE接收的思路不同，它是將待發送的信息碼元通過串并變換，降低速率，從而增大碼元周期，以削弱多徑干擾的影響。同時它使用循環前綴（CP）作為保護間隔，大大減少甚至消除了碼間干擾，并且保證了各信道間的正交性，從而大大減少了信道間干擾。當然，這樣做也付出了帶寬的代價，并帶來了能量損失：CP越長，能量損失就越大。
　　——功率控制技術。在CDMA系統中，功率控制技術是解決遠近效應的重要方法，而且功率控制的有效性決定了網絡的容量。相對來說功率控制不是OFDM系統的基本需求。OFDM系統引入功率控制的目的是最小化信道間干擾。
　　——網絡規劃。由于CDMA本身的技術特性，CDMA系統的頻率規劃問題不很突出，但卻面臨著碼的設計規劃問題。OFDM系統網絡規劃的最基本目的是減少信道間的干擾。由于這種規劃是基于頻率分配的，設計者只要預留些頻段就可以解決小區分裂的問題。
　　——均衡技術。均衡技術可以補償時分信道中由于多徑效應而產生的ISI。在CDMA系統中，信道帶寬遠遠大于信道的平坦衰落帶寬。由于擴頻碼自身良好的自相關性，使得在無線信道傳輸中的時延擴展可以被看作只是被傳信號的再次傳送。如果這些多徑信號相互間的延時超過一個碼片的長度，就可被RAKE接收端視為非相關的噪聲，而不再需要均衡。
　　對OFDM系統，在一般的衰落環境下，均衡不是改善系統性能的有效方法，因為均衡的實質是補償多徑信道特性。而OFDM技術本身已經利用了多徑信道的分集特性，因此該系統一般不必再作均衡
　　OFDM產生的過程
　　?? 時分多路頻分多路OFDM
　　時分多路-- 頻分多路-- OFDM下面分析FDM系統相鄰載波相互干擾大小的影響因素。
　　.. 一個時域中單獨的寬度為Δt的矩形脈沖對應連續頻譜：
　　.. 頻譜不是離散譜線，而是一個連續的sin(x)/x抽樣函數曲線。
　　Δt的變化使得對應頻域的Δf也變化：
　　?? 如果Δt趨向于0，對應的Δf趨向于無窮大；
　　?? 這對應迪拉克脈沖，其頻譜為一條直線，包含所有頻率分量。
　　如果Δt趨向于無窮大，對應的Δf趨向于0；這對應時域中一條直
　　線，其頻譜為零頻處的一條譜線，表示DC分量。
　　二者之間存在以下的關系： Δf＝1/ Δt
　　一個間隔為Tp，寬度為Δt的矩形脈沖序列也對應著頻域的sin(x)/x形函數，但此時只有離散譜線，譜線間隔為fp＝1/Tp，譜線幅度隨sin(x)/x抽樣函數包絡變化。
　　周期矩形脈沖信號的頻譜
　　不同τ值時周期矩形信號的頻譜　(a) τ=T/5; (b) τ=T/10
　　不同T值時周期矩形信號的頻譜　(a) T=5τ; (b) T=10 τ
　　矩形脈沖與正交性之間有什么關系？
　　?? 載波信號都是正弦函數信號。
　　?? 一個頻率為fs＝1/Ts的正弦波信號對應頻譜為頻域中位于頻率fs和－fs的兩條離散譜線。
　　這些正弦信號載波是通過幅度和頻率變化來攜帶信息的（幅移鍵控和頻移鍵控）。
　　OFDM：
　　這些正弦載波不是連續從負無窮延伸到正無窮，而是在
　　特定的Δt之后幅度和相位發生變化。
　　?? 因此已調載波信號由時域中一個被矩形窗截斷的正弦信
　　號段組成，稱為burst packets 。
　　?? 加矩形窗的Burst Packets：
優勢與不足
　　
優勢

　　OFDM存在很多技術優點見如下，在3G、4G中被運用，作為通信方面其有很多優勢：
　　（1） 在窄帶帶寬下也能夠發出大量的數據。OFDM技術能同時分開至少1000個數字信號，而且在干擾的信號周圍可以安全運行的能力將直接威脅到目前市場上已經開始流行的CDMA技術的進一步發展壯大的態勢，正是由于具有了這種特殊的信號“穿透能力”使得OFDM技術深受歐洲通信營運商以及手機生產商的喜愛和歡迎，例如加利福尼亞Cisco系統公司、紐約Flarion工學院以及朗訊工學院等開始使用，在加拿大Wi-LAN工學院也開始使用這項技術。
　　(2) OFDM技術能夠持續不斷地監控傳輸介質上通信特性的突然變化，由于通信路徑傳送數據的能力會隨時間發生變化，所以OFDM能動態地與之相適應，并且接通和切斷相應的載波以保證持續地進行成功的通信；
　　(3) 該技術可以自動地檢測到傳輸介質下哪一個特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調制措施來使指定頻率下的載波進行成功通信；
　　(4) OFDM技術特別適合使用在高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號散播的地區。高速的數據傳播及數字語音廣播都希望降低多徑效應對信號的影響。
　　(5) OFDM技術的最大優點是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統中，單個衰落或干擾能夠導致整個通信鏈路失敗，但是在多載波系統中，僅僅有很小一部分載波會受到干擾。對這些子信道還可以采用糾錯碼來進行糾錯。
　　(6) 可以有效地對抗信號波形間的干擾，適用于多徑環境和衰落信道中的高速數據傳輸。當信道中因為多徑傳輸而出現頻率選擇性衰落時，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統總的誤碼率性能要好得多。
　　(7) 通過各個子載波的聯合編碼，具有很強的抗衰落能力。OFDM技術本身已經利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴重，就沒有必要再加時域均衡器。通過將各個信道聯合編碼，則可以使系統性能得到提高。
　　(8) OFDM技術抗窄帶干擾性很強，因為這些干擾僅僅影響到很小一部分的子信道。
　　(9) 可以選用基于IFFT/FFT的OFDM實現方法；
　　(10) 信道利用率很高，這一點在頻譜資源有限的無線環境中尤為重要；當子載波個數很大時，系統的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。 （baud 即 波特；1 Baud = log2M (bit/s) ，其中M是信號的編碼級數。）
　　
存在不足

　　雖然OFDM有上述優點，但是同樣其信號調制機制也使得OFDM信號在傳輸過程中存在著一些劣勢：
　　(1)對相位噪聲和載波頻偏十分敏感
　　這是OFDM技術一個非常致命的缺點，整個OFDM系統對各個子載波之間的正交性要求格外嚴格，任何一點小的載波頻偏都會破壞子載波之間的正交性，引起ICI，同樣，相位噪聲也會導致碼元星座點的旋轉、擴散，從而形成ICI。而單載波系統就沒有這個問題，相位噪聲和載波頻偏僅僅是降低了接收到的信噪比SNR，而不會引起互相之間的干擾。
　　(2)峰均比過大
　　OFDM信號由多個子載波信號組成，這些子載波信號由不同的調制符號獨立調制。同傳統的恒包絡的調制方法相比，OFDM調制存在一個很高的峰值因子。因為OFDM信號是很多個小信號的總和，這些小信號的相位是由要傳輸的數據序列決定的。對某些數據，這些小信號可能同相，而在幅度上疊加在一起從而產生很大的瞬時峰值幅度。而峰均比過大，將會增加A/D和D/A的復雜性，而且會降低射頻功率放大器的效率。同時，在發射端，放大器的最大輸出功率就限制了信號的峰值，這會在OFDM頻段內和相鄰頻段之間產生干擾。
　　(3)所需線性范圍寬
　　由于OFDM系統峰值平均功率比(PAPR)大，對非線性放大更為敏感，故OFDM調制系統比單載波系統對放大器的線性范圍要求更高。