OFDM,OFDM是什么意思

基本原理
　　OFDM —— OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實際上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多載波調(diào)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(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)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(guān)技術(shù)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(guān)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(guān)鍵的技術(shù)之一，可以結(jié)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(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。

發(fā)展歷史
　　上個世紀70年代，韋斯坦（Weistein）和艾伯特（Ebert）等人應(yīng)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(tǒng)，叫做正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)。
　　OFDM是正交頻分復(fù)用的英文縮寫。正交頻分復(fù)用是一種特殊的多載波傳輸方案。OFDM應(yīng)用離散傅里葉變換（DFT）和其逆變換（IDFT）方法解決了產(chǎn)生多個互相正交的子載波和從子載波中恢復(fù)原信號的問題。這就解決了多載波傳輸系統(tǒng)發(fā)送和傳送的難題。應(yīng)用快速傅里葉變換更使多載波傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜度大大降低。從此OFDM技術(shù)開始走向?qū)嵱?。但是?yīng)用OFDM系統(tǒng)仍然需要大量繁雜的數(shù)字信號處理過程，而當(dāng)時還缺乏數(shù)字處理功能強大的元器件，因此OFDM技術(shù)遲遲沒有得到迅速發(fā)展。
　　近些年來，集成數(shù)字電路和數(shù)字信號處理器件的迅猛發(fā)展，以及對無線通信高速率要求的日趨迫切，OFDM技術(shù)再次受到了重視。
　　在上個世紀60年代已經(jīng)提出了使用平行數(shù)據(jù)傳輸和頻分復(fù)用(FDM)的概念。1970年，美國發(fā)明和申請了一個專利，其思想是采用平行的數(shù)據(jù)和子信道相互重疊的頻分復(fù)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(shù)最初主要用于軍事通信系統(tǒng)。但在以后相當(dāng)長的一段時間，OFDM理論邁向?qū)嵺`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(xiàn)這種調(diào)制，但在實際應(yīng)用中，實時傅立葉變換設(shè)備的復(fù)雜度、發(fā)射機和接收機振蕩器的穩(wěn)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(shù)實現(xiàn)的制約條件。在二十世紀80年代，MCM獲得了突破性進展，大規(guī)模集成電路讓FFT技術(shù)的實現(xiàn)不再是難以逾越的障礙，一些其它難以實現(xiàn)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(shù)字移動通信的領(lǐng)域[1]。

應(yīng)用情況
　　由于技術(shù)的可實現(xiàn)性，在二十世紀90年代，OFDM廣泛用干各種數(shù)字傳輸和通信中，如移動無線FM信道，高比特率數(shù)字用戶線系統(tǒng)(HDSL)，不對稱數(shù)字用戶線系統(tǒng)(ADSL)，甚高比特率數(shù)字用戶線系統(tǒng)娜HDSI〕，數(shù)字音頻廣播(DAB)系統(tǒng)，數(shù)字視頻廣播(DVB)和HDTV地面?zhèn)鞑ハ到y(tǒng)。1999年，IEEE802.lla通過了一個SGHz的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中OFDM調(diào)制技術(shù)被采用為物理層標(biāo)準(zhǔn)，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(wǎng)無線幀結(jié)構(gòu)接口，并支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)。這樣的速率完全能滿足室內(nèi)、室外的各種應(yīng)用場合。歐洲電信組織(ETsl)的寬帶射頻接入網(wǎng)的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)Hiperi耐2也把OFDM定為它的調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。
　　2001年，IEEE802.16通過了無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)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(tǒng)會存在較強的多徑效應(yīng)，而在免許可頻段還存在干擾問題，所以系統(tǒng)采用了抵抗多徑效應(yīng)、頻率選擇性衰落或窄帶干擾上有明顯優(yōu)勢的OFDM調(diào)制，多址方式為OFDMA。而后，IEEE802.16的標(biāo)準(zhǔn)每年都在發(fā)展，2006年2月，IEEE802.16e(移動寬帶無線城域網(wǎng)接入空中接口標(biāo)準(zhǔn))形成了最終的出版物。當(dāng)然，采用的調(diào)制方式仍然是OFDM。
　　2004年11月，根據(jù)眾多移動通信運營商、制造商和研究機構(gòu)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(tǒng)技術(shù)規(guī)范作為目標(biāo)。3GPP經(jīng)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(shù)，即下行OFDM，上行SC(單載波關(guān)FDMA。OFDM由于技術(shù)的成熟性，被選用為下行標(biāo)準(zhǔn)很快就達成了共識。而上行技術(shù)的選擇上，由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些設(shè)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(jīng)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(chǎn)權(quán)的3G標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)，并希望在2010年予以實現(xiàn)。B3G/4G的目標(biāo)是在高速移動環(huán)境下支持高達100Mb/S的下行數(shù)據(jù)傳輸速率，在室內(nèi)和靜止環(huán)境下支持高達IGb/S的下行數(shù)據(jù)傳輸速率。而OFDM技術(shù)也將扮演重要的角色[2]。
技術(shù)比較
　　CDMA與OFDM之技術(shù)比較
　　頻譜利用率、支持高速率多媒體服務(wù)、系統(tǒng)容量、抗多徑信道干擾等因素是目前大多數(shù)固定寬帶無線接入設(shè)備商在選擇CDMA（碼分多址）或OFDM（正交頻分復(fù)用）作為點到多點（PMP）的關(guān)鍵技術(shù)時的主要出發(fā)點。而這兩種技術(shù)在這些方面都各有所長，因此設(shè)備商需要根據(jù)實際情況權(quán)衡利弊，進行綜合分析，從而做出最佳選擇。
　　CDMA技術(shù)是基于擴頻通信理論的調(diào)制和多址連接技術(shù)。OFDM技術(shù)屬于多載波調(diào)制技術(shù)，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(diào)制，并且各個子載波并行傳輸。OFDM和CDMA技術(shù)各有利弊。CDMA具有眾所周知的優(yōu)點，而采用多種新技術(shù)的OFDM也表現(xiàn)出了良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可擴展性、更高的頻譜利用率、更靈活的調(diào)制方式和抗多徑干擾能力。下面主要從調(diào)制技術(shù)、峰均功率比、抗窄帶干擾能力等角度分析這兩種技術(shù)在性能上的具體差異。
　　——調(diào)制技術(shù)。一般來說，無線系統(tǒng)中頻譜效率可以通過采用16QAM（正交幅度調(diào)制）、64QAM乃至更高階的調(diào)制方式得到提高，而且一個好的通信系統(tǒng)應(yīng)該在頻譜效率和誤碼率之間獲得最佳平衡。
　　在CDMA系統(tǒng)中，下行鏈路可支持多種調(diào)制，但每條鏈路的符號調(diào)制方式必須相同，而上行鏈路卻不支持多種調(diào)制，這就使得CDMA系統(tǒng)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(diào)制方式的用戶必將會對采用低階調(diào)制的用戶產(chǎn)生很大的噪聲干擾。
　　在OFDM系統(tǒng)中，每條鏈路都可以獨立調(diào)制，因而該系統(tǒng)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(diào)制方式。這就可以引入“自適應(yīng)調(diào)制”的概念。它增加了系統(tǒng)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(diào)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(diào)制等低階調(diào)制來確保信噪比。這樣，系統(tǒng)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(diào)制方式，但這一點可以通過網(wǎng)絡(luò)頻率規(guī)劃和無線資源管理等手段來解決。
　　——峰均功率比（PAPR）。這也是設(shè)備商們應(yīng)該考慮的一個重要因素。因為PAPR過高會使得發(fā)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(shè)備的尺寸，進而增加基站和用戶設(shè)備的成本。
　　CDMA系統(tǒng)的PAPR一般在5～11dB，并會隨著數(shù)據(jù)速率和使用碼數(shù)的增加而增加。目前已有很多技術(shù)可以降低CDMA的PAPR。
　　在OFDM系統(tǒng)中，由于信號包絡(luò)的不恒定性，使得該系統(tǒng)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(shù)將不能用于使用電池的傳輸系統(tǒng)和手機等。目前有很多技術(shù)可以降低OFDM的PAPR。
　　——抗窄帶干擾能力。CDMA的最大優(yōu)勢就表現(xiàn)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(tǒng)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(diào)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(yīng)造成接收信號相互重疊，產(chǎn)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?shù)馁|(zhì)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(shù)來區(qū)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(shù)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(shù)與RAKE接收的思路不同，它是將待發(fā)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(huán)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(dāng)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(shù)。在CDMA系統(tǒng)中，功率控制技術(shù)是解決遠近效應(yīng)的重要方法，而且功率控制的有效性決定了網(wǎng)絡(luò)的容量。相對來說功率控制不是OFDM系統(tǒng)的基本需求。OFDM系統(tǒng)引入功率控制的目的是最小化信道間干擾。
　　——網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。由于CDMA本身的技術(shù)特性，CDMA系統(tǒng)的頻率規(guī)劃問題不很突出，但卻面臨著碼的設(shè)計規(guī)劃問題。OFDM系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的最基本目的是減少信道間的干擾。由于這種規(guī)劃是基于頻率分配的，設(shè)計者只要預(yù)留些頻段就可以解決小區(qū)分裂的問題。
　　——均衡技術(shù)。均衡技術(shù)可以補償時分信道中由于多徑效應(yīng)而產(chǎn)生的ISI。在CDMA系統(tǒng)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(guān)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(guān)的噪聲，而不再需要均衡。
　　對OFDM系統(tǒng)，在一般的衰落環(huán)境下，均衡不是改善系統(tǒng)性能的有效方法，因為均衡的實質(zhì)是補償多徑信道特性。而OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了多徑信道的分集特性，因此該系統(tǒng)一般不必再作均衡
　　OFDM產(chǎn)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(tǒng)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(yīng)連續(xù)頻譜：
　　.. 頻譜不是離散譜線，而是一個連續(xù)的sin(x)/x抽樣函數(shù)曲線。
　　Δt的變化使得對應(yīng)頻域的Δf也變化：
　　?? 如果Δt趨向于0，對應(yīng)的Δf趨向于無窮大；
　　?? 這對應(yīng)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(yīng)的Δf趨向于0；這對應(yīng)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(guān)系： Δf＝1/ Δt
　　一個間隔為Tp，寬度為Δt的矩形脈沖序列也對應(yīng)著頻域的sin(x)/x形函數(shù)，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(shù)包絡(luò)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(guān)系？
　　?? 載波信號都是正弦函數(shù)信號。
　　?? 一個頻率為fs＝1/Ts的正弦波信號對應(yīng)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(xù)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(fā)生變化。
　　?? 因此已調(diào)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(yōu)勢與不足
　　
優(yōu)勢

　　OFDM存在很多技術(shù)優(yōu)點見如下，在3G、4G中被運用，作為通信方面其有很多優(yōu)勢：
　?。?） 在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)。OFDM技術(shù)能同時分開至少1000個數(shù)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(jīng)開始流行的CDMA技術(shù)的進一步發(fā)展壯大的態(tài)勢，正是由于具有了這種特殊的信號“穿透能力”使得OFDM技術(shù)深受歐洲通信營運商以及手機生產(chǎn)商的喜愛和歡迎，例如加利福尼亞Cisco系統(tǒng)公司、紐約Flarion工學(xué)院以及朗訊工學(xué)院等開始使用，在加拿大Wi-LAN工學(xué)院也開始使用這項技術(shù)。
　　(2) OFDM技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化，由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會隨時間發(fā)生變化，所以O(shè)FDM能動態(tài)地與之相適應(yīng)，并且接通和切斷相應(yīng)的載波以保證持續(xù)地進行成功的通信；
　　(3) 該技術(shù)可以自動地檢測到傳輸介質(zhì)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(diào)制措施來使指定頻率下的載波進行成功通信；
　　(4) OFDM技術(shù)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(qū)。高速的數(shù)據(jù)傳播及數(shù)字語音廣播都希望降低多徑效應(yīng)對信號的影響。
　　(5) OFDM技術(shù)的最大優(yōu)點是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統(tǒng)中，單個衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€通信鏈路失敗，但是在多載波系統(tǒng)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(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)信道中因為多徑傳輸而出現(xiàn)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(tǒng)總的誤碼率性能要好得多。
　　(7) 通過各個子載波的聯(lián)合編碼，具有很強的抗衰落能力。OFDM技術(shù)本身已經(jīng)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(lián)合編碼，則可以使系統(tǒng)性能得到提高。
　　(8) OFDM技術(shù)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(xiàn)方法；
　　(10) 信道利用率很高，這一點在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要；當(dāng)子載波個數(shù)很大時，系統(tǒng)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(shù)。）
　　
存在不足

　　雖然OFDM有上述優(yōu)點，但是同樣其信號調(diào)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(shù)一個非常致命的缺點，整個OFDM系統(tǒng)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(dǎo)致碼元星座點的旋轉(zhuǎn)、擴散，從而形成ICI。而單載波系統(tǒng)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(diào)制符號獨立調(diào)制。同傳統(tǒng)的恒包絡(luò)的調(diào)制方法相比，OFDM調(diào)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?shù)臄?shù)據(jù)序列決定的。對某些數(shù)據(jù)，這些小信號可能同相，而在幅度上疊加在一起從而產(chǎn)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(fù)雜性，而且會降低射頻功率放大器的效率。同時，在發(fā)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(nèi)和相鄰頻段之間產(chǎn)生干擾。
　　(3)所需線性范圍寬
　　由于OFDM系統(tǒng)峰值平均功率比(PAPR)大，對非線性放大更為敏感，故OFDM調(diào)制系統(tǒng)比單載波系統(tǒng)對放大器的線性范圍要求更高。