一、OFDM技術定義

　　OFDM是 Orthogonal Frequency Division Multiplexing的縮寫，即正交頻分復用，是一種無線環境下的高速傳輸技術，也可以看作一種特殊的FDM形式。OFDM 技術的主要思想就是在頻域內將給定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，并且各子載波并行傳輸。

　　對于移動通信，其信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道而言又是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于這種技術具有在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常會被利用在容易外界干擾或者抵抗外界千擾能力較差的傳輸介質中。

　　二、OFDM基本原理

　　通常的數字調制都是在單個載波上進行，如PSK、QAM等。這種單載波的調制方法易發生碼間干擾而增加誤碼率，而且在多徑傳播的環境中因受瑞利衰落的影響而會造成突發誤碼。若將高速率的串行數據轉換為若干低速率數據流，每個低速數據流對應一個載波進行調制，組成一個多載波的同時調制的并行傳輸系統。這樣將總的信號帶寬劃分為N個互不重疊的子通道（頻帶小于Δf），N個子通道進行正交頻分多重調制，就可克服上述單載波串行數據系統的缺陷。

　　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。

　　OFDM中的各個載波是相互正交的，每個載波在一個符號時間內有整數個載波周期，每個載波的頻譜零點和相鄰載波的零點重疊，這樣便減小了載波間的干擾。由于載波間有部分重疊，所以它比傳統的FDMA提高了頻帶利用率。

　　在OFDM傳播過程中，高速信息數據流通過串并變換，分配到速率相對較低的若干子信道中傳輸，每個子信道中的符號周期相對增加，這樣可減少因無線信道多徑時延擴展所產生的時間彌散性對系統造成的碼間干擾。另外，由于引入保護間隔，在保護間隔大于最大多徑時延擴展的情況下，可以最大限度地消除多徑帶來的符號間干擾。如果用循環前綴作為保護間隔，還可避免多徑帶來的信道間干擾。在過去的頻分復用（FDM）系統中，整個帶寬分成N個子頻帶，子頻帶之間不重疊，為了避免子頻帶間相互干擾，頻帶間通常加保護帶寬，但這會使頻譜利用率下降。為了克服這個缺點，OFDM采用N個重疊的子頻帶，子頻帶間正交，因而在接收端無需分離頻譜就可將信號接收下來。

　　OFDM系統的一個主要優點是正交的子載波可以利用快速傅利葉變換（FFT/IFFT）實現調制和解調。對于N點的IFFT運算，需要實施N^2次復數乘法，而采用常見的基于2的IFFT算法，其復數乘法僅為（N/2）log2N，可顯著降低運算復雜度。

　　在OFDM系統的發射端加入保護間隔，主要是為了消除多徑所造成的ISI。其方法是在OFDM符號保護間隔內填入循環前綴，以保證在FFT周期內OFDM符號的時延副本內包含的波形周期個數也是整數。這樣時延小于保護間隔的信號就不會在解調過程中產生ISI。由于OFDM技術有較強的抗ISI能力以及高頻譜效率，2001年開始應用于光通信中，相當多的研究表明了該技術在光通信中的可行性。

　　三、OFDM技術優點

　　1.抗衰落能力強

　　OFDM把用戶信息通過多個子載波傳輸，在每個子載波上的信號時間就相應地比同速率的單載波系統上的信號時間長很多倍，使OFDM對脈沖噪聲（ImpulseNoise）和信道快衰落的抵抗力更強。同時，通過子載波的聯合編碼，達到了子信道間的頻率分集的作用，也增強了對脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特別嚴重，就沒有必要再添加時域均衡器。

　　2.頻率利用率高

　　OFDM允許重疊的正交子載波作為子信道，而不是傳統的利用保護頻帶分離子信道的方式，提高了頻率利用效率。

　　3.適合高速數據傳輸

　　OFDM自適應調制機制使不同的子載波可以按照信道情況和噪音背景的不同使用不同的調制方式。當信道條件好的時候，采用效率高的調制方式。當信道條件差的時候，采用抗干擾能力強的調制方式。再有，OFDM加載算法的采用，使系統可以把更多的數據集中放在條件好的信道上以高速率進行傳送。因此，OFDM技術非常適合高速數據傳輸。

　　4.抗碼間干擾（ISI）能力強

　　碼間干擾是數字通信系統中除噪聲干擾之外最主要的干擾，它與加性的噪聲干擾不同，是一種乘性的干擾。造成碼間干擾的原因有很多，實際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的，就會造成一定的碼間干擾。OFDM由于采用了循環前綴，對抗碼間干擾的能力很強。

　　四、OFDM技術缺點

　　1.對頻偏和相位噪聲比較敏感

　　OFDM技術區分各個子信道的方法是利用各個子載波之間嚴格的正交性。頻偏和相位噪聲會使各個子載波之間的正交特性惡化，僅僅1％的頻偏就會使信噪比下降30dB。因此，OFDM系統對頻偏和相位噪聲比較敏感。

　　2.功率峰值與均值比（PAPR）大，導致射頻放大器的功率效率較低

　　與單載波系統相比，由于OFDM信號是由多個獨立的經過調制的子載波信號相加而成的，這樣的合成信號就有可能產生比較大的峰值功率，也就會帶來較大的峰值均值功率比，簡稱峰均值比。對于包含N個子信道的OFDM系統來說，當N個子信道都以相同的相位求和時，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。當然這是一種非常極端的情況，通常OFDM系統內的峰均值不會達到這樣高的程度。高峰均值比會增大對射頻放大器的要求，導致射頻信號放大器的功率效率降低。

　　3.負載算法和自適應調制技術會增加系統復雜度

　　負載算法和自適應調制技術的使用會增加發射機和接收機的復雜度，并且當終端移動速度每小時高于30公里時，自適應調制技術就不是很適合了。

　　五、OFDM通信模型

　　在通信系統中，例如我們用手機打電話的時候，通話數據被采樣后，會形成D0、D1、D2、D3、D4、D5……這樣連續的數據流。

　　FDM就是把這個序列中的元素依次地調制到指定的頻率后發送出去。

　　OFDM就是先把序列劃分為D0、D4、D8……D1、D5、D9……D2、D6、D10……D3、D7、D11……這樣4個子序列（此處子序列個數僅為舉例，不代表實際個數），然后將第一個子序列的元素依次調制到頻率F1上并發送出去，第二個子序列的元素依次調制到頻率F2上并發送出去，第三個子序列的元素依次調制到頻率F3上并發送出去，第四個子序列的元素依次調制到頻率F4上并發送出去。F1、F2、F3、F4這四個頻率滿足兩兩正交的關系，如下圖所示。

　　六、OFDM技術的發展與應用

　　在一個世紀以前，人們就在一個寬帶信道中，利用多個不同的載波頻率來傳輸許多低速率的信號（如電報信號）。但是在這種情況下，載波頻率之間要相隔足夠遠，還需要一些保護頻帶，以確保載波頻譜不重疊。因此該系統的頻譜效率很低。于是在1957年Doelz等提出了一種各個載波頻率在一個符號周期內正交的FDM技術，它允許載波頻譜重疊，大大提高了系統的頻譜利用率。在1966年，Chang等提出了利用濾波和限制帶寬來保證子載波間的正交性。這種方法來保持OFDM子載波的正交性，實現起來結構非常復雜，隨著子載波數的增加，復雜度也不斷增加，使其沒有受到足夠重視，從而也限制了該技術的進一步推廣。直到1971年，Weinstein等人提出了基于離散傅立葉變換（DFT）的頻域數據傳輸，大大簡化了系統結構，使得OFDM技術真正被重視起來。之后，圍繞OFDM技術的研究也相應展開。80年代，人們研究了如何將OFDM技術應用于高速MODEM。到90年代，OFDM技術的研究深入到無線調頻信道上的寬帶數據傳輸。

　　而今，以OFDM技術為核心的各項標準也己制定，如歐洲1997年提出的數字視頻地面廣播（DVB-T）以及IEEE802.11標準系列，日本1999年提出的地面綜合業務數字廣播ISDB-T等等。并且OFDM技術在這些標準的前提下，也被廣泛應用于高速寬帶數字通信系統，如非對稱的數字用戶環路（ADSL）， ETSI標準的數字音頻廣播（DAB）、數字視頻廣播（DVB）、高清晰度電視（HDTV）、無線局域網（WLAN）等。

　　由于人們對通信數據化、寬帶化、個人化和移動化的迫切需求，OFDM 技術在綜合無線接入領域將越來越得到廣泛的應用。隨著DSP芯片技術的發展，傅立葉變換/反變換、高速Modem采用的64/128/256QAM技術、柵格編碼技術、軟判決技術、信道自適應技術、插入保護時段、減少均衡計算量等成熟技術的逐步引入，人們已開始集中越來越多的精力開發OFDM技術在移動通信領域的應用。預計第三代以后的移動通信的主流技術將是OFDM技術。