正交頻分復用，英文原稱Orthogonal Frequency Division Multiplexing，縮寫為OFDM，實際上是MCM Multi-CarrierModulation多載波調製的一種。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並行的低速子數據流，調製到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端採用相關技術來分開，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頻寬小於信道的相關頻寬，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。而且由於每個子信道的頻寬僅僅是原信道頻寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。
目前OFDM技術已經被廣泛套用於廣播式的音頻和視頻領域以及民用通信系統中，主要的套用包括：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）、無線區域網路（WLAN）等。
基本介紹
- 中文名：正交頻分復用
- 外文名：Orthogonal Frequency Division Multiplexing
- 縮寫：為OFDM
- 套用：非對稱的數字用戶環路等
原理,優點,發展,套用,技術,問題,比較,
原理
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慧型天線技術，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。由於載波間有部分重疊，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並變換，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，由於引入保護間隔，在保護間隔大於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。OFDM的基帶傳輸系統如圖所示。在過去的頻分復用（FDM）系統中，整個頻寬分成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，頻帶間通常加保護頻寬，但這會使頻譜利用率下降。為了克服這個缺點，OFDM採用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）實現調製和解調。對於N點的IFFT運算，需要實施N2次複數乘法，而採用常見的基於2的IFFT算法，其複數乘法僅為（N/2)log2N，可顯著降低運算複雜度。
OFDM系統構造
OFDM的基帶傳輸系統
OFDM系統構造OFDM的基帶傳輸系統在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（子載波之間的正交性遭到破壞而產生不同子載波之間的干擾）。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，時延小於保護間隔的信號就不會在解調過程中產生ISI。
正交頻分復用（OFDM）是一種調製方式，它可以很容易地與傳統的多址技術結合實現多用戶接入服務，如OFDM—TDMA、OFDMA和多載波CDMA等。
優點
⑴可有效對抗信號波形間的干擾，適用於多徑環境和衰落信道中的高速數據傳輸；
⑵通過各子載波的聯合編碼，具有很強的抗衰落能力；
⑶各子信道的正交調製和解調可通過離散傅利葉反變換IDFT和離散傅利葉變換DFT實現；
發展
OFDM的概念於20世紀50—60年底提出，1970年OFDM的專利被發表，其基本思想通過採用允許子信道頻譜重疊，但相互間又不影響的頻分復用（FDM）方法來並行傳送數據。OFDM早期的套用有AN/GSC_10高頻可變速率數傳數據機等。早期的OFDM系統中，發信機和相關接收機所需的副載波陣列是由正弦信號發生器產生的，系統複雜且昂貴。1972年Weinstein和Ebert提出了使用離散傅立葉變換實現OFDM系統中的全部調製和調解功能的建議，簡化了振盪器陣列以及相關接收機本地載波之間嚴格同步的問題，為實現OFDM的全數位化方案做了理論上的準備。
80年代後，OFDM的調整技術再一次成為研究熱點。例如，在有線信道的研究中，Hirosaki於1981年用DFT完成的OFDM調整技術，試驗成功了16QAM多路並行傳送19.2kbit/s的電話線MODEM.
進入90年代，OFDM的套用又涉及到了利用移動調頻和單邊帶（SSB）信道進行高速數據通信，陸地移動通信，高速數字用戶環路（HDSL），非對稱數字用戶環路（ADSL）及高清晰度數位電視（HDTV）和陸地廣播等各種通信系統。
由於技術的可實現性，在二十世紀90年代，OFDM廣泛用乾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的無線區域網路標準，其中OFDM調製技術被採用為物理層標準，使得傳輸速率可以達54MbPs。這樣，可提供25MbPs的無線ATM接口和10MbPs的乙太網無線幀結構接口，並支持語音、數據、圖像業務。這樣的速率完全能滿足室內、室外的各種套用場合。歐洲電信組織（ETsl）的寬頻射頻接入網的區域網路標準HiperiLAN2也把OFDM定為它的調製標準技術。
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，由於在該頻段波長較長，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，所以系統採用了抵抗多徑效應、頻率選擇性衰落或窄帶干擾上有明顯優勢的OFDM調製，多址方式為OFDMA。而後，IEEE802.16的標準每年都在發展，2006年2月，IEEE802.16e（移動寬頻無線城域網接入空中接口標準）形成了最終的出版物。當然，採用的調製方式仍然是OFDM。
2004年11月，根據眾多移動通信運營商、製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演進型系統技術規範作為目標。3GPP經過激烈的討論和艱苦的融合，終於在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由於技術的成熟性，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，由於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，經過討論後，最後上行還是採用了SC一FDMA方式。擁有中國自主智慧財產權的3G標準一一TD-SCDMA在LTE演進計畫中也提出了TD一CDM一OFDM的方案B3G/4G是ITU提出的目標，並希望在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。
套用
數字聲廣播工程
歐洲的數字聲廣播工程（DAB）－DABEUREKA147計畫已成功的使用了OFDM技術。為了克服多個基站可能產生的重聲現象，人們在OFDM的信號前增加了一定的保護時隙，有效的解決了基站間的同頻干擾，實現了單頻網廣播，大大減少了整個廣播占用的頻頻寬度。
HFC(Hybrid Fiber Cable）是一種光纖/同軸混合網。近來，OFDM被套用到有線電視網中，在幹線上採用光纖傳輸，而用戶分配網路仍然使用同軸電纜。這種光電混合傳輸方式，提高了圖像質量，並且可以傳到很遠的地方，擴大了有線電視的使用範圍。
移動通信
在移動通信信道中，由多徑傳播造成的時延擴展在城市地區大致為幾微秒到數十微秒，這會帶來碼間干擾，惡化系統性能。近年來，國外已有人研究採用多載波並傳16QAM調製的移動通信系統。將OFDM技術和交織技術、信道編碼技術結合，可以有效的對抗碼間干擾，這已成為移動通信環境中抗衰落技術的研究方向。
技術
峰值平均功率
由於OFDM信號在時域上為N個正交子載波信號的疊加，當這N個信號恰好都以峰值出現並將相加時，OFDM信號也產生最大峰值，該峰值功率是平均功率的N倍。這樣，為了不失真地傳輸這些高峰均值比的OFDM信號，對傳送端和接收端的功率放大器和A/D變換器的線性度要求較高，且傳送效率較低。解決方法一般有下述三種途徑：
⑴信號失真技術採用峰值修剪技術和峰值視窗去除技術，使峰值振幅值簡單地非線性去除；
⑵採用編碼方法將峰值功率控制和信道編碼結合起來，選用合適的編碼和解碼方法，以避免出現較大的峰值信號；
同步技術
與其它數字通信系統一樣，OFDM系統需要可靠的同步技術，包括定時同步、頻率同步和相位同步，其中頻率同步對系統的影響最大。移動無線信道存在時變性，在傳輸過程中會出現無線信號的頻率偏移，這會使OFDM系統子載波間的正交性遭到破壞，使子信道間的信號相互干擾，因此頻率同步是OFDM系統的一個重要問題。為了不破壞子載波間的正交性，在接收端進行FFT變換前，必須對頻率偏差進行估計和補償。
可採用循環前綴方法對頻率進行估計，即通過在時域內把OFDM符號的後面部分插入到該符號的開始部分，形成循環前綴。利用這一特性，可將信號延遲後與原信號進行相關運算，這樣循環前綴的相關輸出就可以用來估計頻率偏差。
信道編碼和交織
為了對抗無線衰落信道中的隨機錯誤和突發錯誤，通常採用信道編碼和交織技術。OFDM系統本身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已被OFDM調整方式本身所利用，可以在子載波間進行編碼，形成編碼的OFDMCOFDM即把OFDM技術與信道編碼、頻率時間交織結合起來，提高系統的性能，其編碼可以採用各種碼（如分組碼和卷積碼）。
問題
⑴由於傳送端及接收端的取樣速率不一樣，會造成取樣點的誤差，會造成幅度失真，相位飄移（phase shift),ICI等影響。
⑵傳送接收端的相對運動的都卜勒效應也會造成相位carrier phase offset，在產生高頻載波時由於都會有起始相位，所以很難用人為因素使傳送端高頻載波和接收端載波完全同步。
⑷phase offset傳送升頻及接收端降頻載波的頻率不同步，會造成carrier frequency offset。傳送及接收端的相對運動所產生的doppler shift也會產生CFO。
比較
不同的無線載波調製方式有不同的特性。這些特性決定了在不同距離上傳輸不同數據量的能力。以下提及的載波調製方式已被運用到各種無線技術中， 正交頻分復用與他們相比的區別分別為：
與其他無線傳播比較
與其他無線傳播比較一固定頻率
在一個特定的頻段範圍（通常非常窄）內傳播信號的方式。通過此方式傳輸的信號通常要求高功率的信號發射器並且獲得使用許可。如果遇到較強的干擾，信道內或者附近的固定頻率發射器將受到影響。對於許可證的要求就是為了減少相鄰的系統在使用相同的信道時產生的干擾。
二跳頻擴頻
在設備的特定的發射頻率內以廣播形式發射信號。用戶數據在空間傳送之前，先附加“擴頻碼”，實現擴頻傳輸。接收器在解調製的過程中將干擾剔除。在去除擴頻碼、提取有效信號時，噪聲信號同時剔除。
四正交頻分復用
