一、OFDM技術(shù)定義

　　OFDM是 Orthogonal Frequency Division Multiplexing的縮寫，即正交頻分復(fù)用，是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，也可以看作一種特殊的FDM形式。OFDM 技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。

　　對(duì)于移動(dòng)通信，其信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個(gè)子信道而言又是相對(duì)平坦的，在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號(hào)帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號(hào)波形間的干擾。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號(hào)的能力，因此常常會(huì)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(zhì)中。

　　二、OFDM基本原理

　　通常的數(shù)字調(diào)制都是在單個(gè)載波上進(jìn)行，如PSK、QAM等。這種單載波的調(diào)制方法易發(fā)生碼間干擾而增加誤碼率，而且在多徑傳播的環(huán)境中因受瑞利衰落的影響而會(huì)造成突發(fā)誤碼。若將高速率的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為若干低速率數(shù)據(jù)流，每個(gè)低速數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)制，組成一個(gè)多載波的同時(shí)調(diào)制的并行傳輸系統(tǒng)。這樣將總的信號(hào)帶寬劃分為N個(gè)互不重疊的子通道（頻帶小于Δf），N個(gè)子通道進(jìn)行正交頻分多重調(diào)制，就可克服上述單載波串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)的缺陷。

　　在向B3G/4G演進(jìn)的過程中，OFDM是關(guān)鍵的技術(shù)之一，可以結(jié)合分集，時(shí)空編碼，干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù)，最大限度的提高了系統(tǒng)性能。包括以下類型：V-OFDM， W-OFDM， F-OFDM， MIMO-OFDM，多帶-OFDM。

　　OFDM中的各個(gè)載波是相互正交的，每個(gè)載波在一個(gè)符號(hào)時(shí)間內(nèi)有整數(shù)個(gè)載波周期，每個(gè)載波的頻譜零點(diǎn)和相鄰載波的零點(diǎn)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(tǒng)的FDMA提高了頻帶利用率。

　　在OFDM傳播過程中，高速信息數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到速率相對(duì)較低的若干子信道中傳輸，每個(gè)子信道中的符號(hào)周期相對(duì)增加，這樣可減少因無線信道多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對(duì)系統(tǒng)造成的碼間干擾。另外，由于引入保護(hù)間隔，在保護(hù)間隔大于最大多徑時(shí)延擴(kuò)展的情況下，可以最大限度地消除多徑帶來的符號(hào)間干擾。如果用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，還可避免多徑帶來的信道間干擾。在過去的頻分復(fù)用（FDM）系統(tǒng)中，整個(gè)帶寬分成N個(gè)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(hù)帶寬，但這會(huì)使頻譜利用率下降。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，OFDM采用N個(gè)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(hào)接收下來。

　　OFDM系統(tǒng)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是正交的子載波可以利用快速傅利葉變換（FFT/IFFT）實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)。對(duì)于N點(diǎn)的IFFT運(yùn)算，需要實(shí)施N^2次復(fù)數(shù)乘法，而采用常見的基于2的IFFT算法，其復(fù)數(shù)乘法僅為（N/2）log2N，可顯著降低運(yùn)算復(fù)雜度。

　　在OFDM系統(tǒng)的發(fā)射端加入保護(hù)間隔，主要是為了消除多徑所造成的ISI。其方法是在OFDM符號(hào)保護(hù)間隔內(nèi)填入循環(huán)前綴，以保證在FFT周期內(nèi)OFDM符號(hào)的時(shí)延副本內(nèi)包含的波形周期個(gè)數(shù)也是整數(shù)。這樣時(shí)延小于保護(hù)間隔的信號(hào)就不會(huì)在解調(diào)過程中產(chǎn)生ISI。由于OFDM技術(shù)有較強(qiáng)的抗ISI能力以及高頻譜效率，2001年開始應(yīng)用于光通信中，相當(dāng)多的研究表明了該技術(shù)在光通信中的可行性。

　　三、OFDM技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

　　1.抗衰落能力強(qiáng)

　　OFDM把用戶信息通過多個(gè)子載波傳輸，在每個(gè)子載波上的信號(hào)時(shí)間就相應(yīng)地比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)很多倍，使OFDM對(duì)脈沖噪聲（ImpulseNoise）和信道快衰落的抵抗力更強(qiáng)。同時(shí)，通過子載波的聯(lián)合編碼，達(dá)到了子信道間的頻率分集的作用，也增強(qiáng)了對(duì)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(yán)重，就沒有必要再添加時(shí)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(tǒng)的利用保護(hù)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(shù)據(jù)傳輸

　　OFDM自適應(yīng)調(diào)制機(jī)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(diào)制方式。當(dāng)信道條件好的時(shí)候，采用效率高的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件差的時(shí)候，采用抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制方式。再有，OFDM加載算法的采用，使系統(tǒng)可以把更多的數(shù)據(jù)集中放在條件好的信道上以高速率進(jìn)行傳送。因此，OFDM技術(shù)非常適合高速數(shù)據(jù)傳輸。

　　4.抗碼間干擾（ISI）能力強(qiáng)

　　碼間干擾是數(shù)字通信系統(tǒng)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(shí)際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的，就會(huì)造成一定的碼間干擾。OFDM由于采用了循環(huán)前綴，對(duì)抗碼間干擾的能力很強(qiáng)。

　　四、OFDM技術(shù)缺點(diǎn)

　　1.對(duì)頻偏和相位噪聲比較敏感

　　OFDM技術(shù)區(qū)分各個(gè)子信道的方法是利用各個(gè)子載波之間嚴(yán)格的正交性。頻偏和相位噪聲會(huì)使各個(gè)子載波之間的正交特性惡化，僅僅1％的頻偏就會(huì)使信噪比下降30dB。因此，OFDM系統(tǒng)對(duì)頻偏和相位噪聲比較敏感。

　　2.功率峰值與均值比（PAPR）大，導(dǎo)致射頻放大器的功率效率較低

　　與單載波系統(tǒng)相比，由于OFDM信號(hào)是由多個(gè)獨(dú)立的經(jīng)過調(diào)制的子載波信號(hào)相加而成的，這樣的合成信號(hào)就有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率，也就會(huì)帶來較大的峰值均值功率比，簡(jiǎn)稱峰均值比。對(duì)于包含N個(gè)子信道的OFDM系統(tǒng)來說，當(dāng)N個(gè)子信道都以相同的相位求和時(shí)，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。當(dāng)然這是一種非常極端的情況，通常OFDM系統(tǒng)內(nèi)的峰均值不會(huì)達(dá)到這樣高的程度。高峰均值比會(huì)增大對(duì)射頻放大器的要求，導(dǎo)致射頻信號(hào)放大器的功率效率降低。

　　3.負(fù)載算法和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜度

　　負(fù)載算法和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的使用會(huì)增加發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的復(fù)雜度，并且當(dāng)終端移動(dòng)速度每小時(shí)高于30公里時(shí)，自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)就不是很適合了。

　　五、OFDM通信模型

　　在通信系統(tǒng)中，例如我們用手機(jī)打電話的時(shí)候，通話數(shù)據(jù)被采樣后，會(huì)形成D0、D1、D2、D3、D4、D5……這樣連續(xù)的數(shù)據(jù)流。

　　FDM就是把這個(gè)序列中的元素依次地調(diào)制到指定的頻率后發(fā)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(gè)子序列（此處子序列個(gè)數(shù)僅為舉例，不代表實(shí)際個(gè)數(shù)），然后將第一個(gè)子序列的元素依次調(diào)制到頻率F1上并發(fā)送出去，第二個(gè)子序列的元素依次調(diào)制到頻率F2上并發(fā)送出去，第三個(gè)子序列的元素依次調(diào)制到頻率F3上并發(fā)送出去，第四個(gè)子序列的元素依次調(diào)制到頻率F4上并發(fā)送出去。F1、F2、F3、F4這四個(gè)頻率滿足兩兩正交的關(guān)系，如下圖所示。

　　六、OFDM技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

　　在一個(gè)世紀(jì)以前，人們就在一個(gè)寬帶信道中，利用多個(gè)不同的載波頻率來傳輸許多低速率的信號(hào)（如電報(bào)信號(hào)）。但是在這種情況下，載波頻率之間要相隔足夠遠(yuǎn)，還需要一些保護(hù)頻帶，以確保載波頻譜不重疊。因此該系統(tǒng)的頻譜效率很低。于是在1957年Doelz等提出了一種各個(gè)載波頻率在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)正交的FDM技術(shù)，它允許載波頻譜重疊，大大提高了系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)起來結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，隨著子載波數(shù)的增加，復(fù)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(shù)的進(jìn)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(shù)據(jù)傳輸，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得OFDM技術(shù)真正被重視起來。之后，圍繞OFDM技術(shù)的研究也相應(yīng)展開。80年代，人們研究了如何將OFDM技術(shù)應(yīng)用于高速M(fèi)ODEM。到90年代，OFDM技術(shù)的研究深入到無線調(diào)頻信道上的寬帶數(shù)據(jù)傳輸。

　　而今，以O(shè)FDM技術(shù)為核心的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)也己制定，如歐洲1997年提出的數(shù)字視頻地面廣播（DVB-T）以及IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)系列，日本1999年提出的地面綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播ISDB-T等等。并且OFDM技術(shù)在這些標(biāo)準(zhǔn)的前提下，也被廣泛應(yīng)用于高速寬帶數(shù)字通信系統(tǒng)，如非對(duì)稱的數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL）， ETSI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻廣播（DAB）、數(shù)字視頻廣播（DVB）、高清晰度電視（HDTV）、無線局域網(wǎng)（WLAN）等。

　　由于人們對(duì)通信數(shù)據(jù)化、寬帶化、個(gè)人化和移動(dòng)化的迫切需求，OFDM 技術(shù)在綜合無線接入領(lǐng)域?qū)⒃絹碓降玫綇V泛的應(yīng)用。隨著DSP芯片技術(shù)的發(fā)展，傅立葉變換/反變換、高速M(fèi)odem采用的64/128/256QAM技術(shù)、柵格編碼技術(shù)、軟判決技術(shù)、信道自適應(yīng)技術(shù)、插入保護(hù)時(shí)段、減少均衡計(jì)算量等成熟技術(shù)的逐步引入，人們已開始集中越來越多的精力開發(fā)OFDM技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用。預(yù)計(jì)第三代以后的移動(dòng)通信的主流技術(shù)將是OFDM技術(shù)。