- 中文名
- OFDM
- 外文名
- Orthogonal Frequency Division Multiplexing
- 简 称
- OFDM
- 实 质
- 多载波调制的一种。
- 地 位
- HPA联盟工业规范的基础
- 领 域
- 通信
OFDM主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI) 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。
OFDM技术是HPA联盟(HomePlug Powerline Alliance)工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。
OFDM系统频谱OFDM中的各个载波是相互正交的，每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期，每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠，这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠，所以它比传统的FDMA提高了频带利用率。
在OFDM传播过程中，高速信息数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期相对增加，这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外，由于引入保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔，还可避免多径带来的信道间干扰。
在过去的频分复用（FDM）系统中，整个带宽分成N个子频带，子频带之间不重叠，为了避免子频带间相互干扰，频带间通常加保护带宽，但这会使频谱利用率下降。为了克服这个缺点，OFDM采用N个重叠的子频带，子频带间正交，因而在接收端无需分离频谱就可将信号接收下来。
OFDM系统的一个主要优点是正交的子载波可以利用快速傅利叶变换（FFT/IFFT）实现调制和解调。对于N点的IDFT运算，需要实施N^2次复数乘法，而采用常见的基于2的IFFT算法，其复数乘法仅为（N/2）log2N，可显著降低运算复杂度。
在OFDM系统的发射端加入保护间隔，主要是为了消除多径所造成的ISI。其方法是在OFDM符号保护间隔内填入循环前缀，以保证在FFT周期内OFDM符号的时延副本内包含的波形周期个数也是整数。这样时延小于保护间隔的信号就不会在解调过程中产生ISI。由于OFDM技术有较强的抗ISI能力以及高频谱效率，2001年开始应用于光通信中，相当多的研究表明了该技术在光通信中的可行性。
OFDM是一种特殊的多载波传输方案。OFDM应用DFT和其逆变换IDFT方法解决了产生多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题。这就解决了多载波传输系统发送和传送的难题。应用快速傅里叶变换更使多载波传输系统的复杂度大大降低。从此OFDM技术开始走向实用。但是应用OFDM系统仍然需要大量繁杂的数字信号处理过程，而当时还缺乏数字处理功能强大的元器件，因此OFDM技术迟迟没有得到迅速发展。
OFDM系统框图80年代后，OFDM的调制技术再一次成为研究热点。例如，在有线信道的研究中，Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM调制技术，试验成功了16QAM多路并行传送19.2kbit/s的电话线MODEM。
进入90年代，OFDM的应用又涉及到了利用移动调频和单边带（SSB）信道进行高速数据通信，陆地移动通信，高速数字用户环路(HDSL)，非对称数字用户环路(ADSL)及高清晰度数字电视(HDTV)和陆地广播等各种通信系统。
1999年，IEEE802.11a通过了一个5GHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用为物理层标准，使得传输速率可以达54MbPs。这样，可提供25MbPs的无线ATM接口和10MbPs的以太网无线帧结构接口，并支持语音、数据、图像业务。这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。欧洲电信组织(ETsl)的宽带射频接入网的局域网标准HiperiLAN2也把OFDM定为它的调制标准技术。
OFDM技术的应用已有近40年的历史，主要用于军用的无线高频通信系统。但是OFDM系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到20世纪70年代，人们采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。80年代，人们研究如何将OFDM技术应用于高速MODEM。进入90年代以来，OFDM技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。
OFDM是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落，其基本原理是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。下图是OFDM基带信号处理原理图。其中，（a）是发射机工作原理，（b）是接收机工作原理。
OFDM原理图当调制信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码间串扰的作用，子载波之间不再保持良好的正交状态，因而发送前需要在码元间插入保护间隔。如果保护间隔大于最大时延扩展，则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，从而有效地消除了码间串扰。当采用单载波调制时，为减小ISI的影响，需要采用多级均衡器，这会遇到收敛和复杂性高等问题。
在发射端，首先对比特流进行QAM或QPSK调制，然后依次经过串并变换和IFFT变换，再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔（又称“循环前缀”），形成OFDM码元。在组帧时，须加入同步序列和信道估计序列，以便接收端进行突发检测、同步和信道估计，最后输出正交的基带信号。
OFDM提高频谱效率FDM/FDMA（频分复用/多址）技术其实是传统的技术，将较宽的频带分成若干较窄的子带（子载波）进行并行发送是最朴素的实现宽带传输的方法。但是为了避免各子载波之间的干扰，不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔（图（a）所示），大大降低了频谱效率。因此，频谱效率更高的TDM/TDMA（时分复用/多址）和CDM/CDMA技术成为了无线通信的核心传输技术。近几年由于数字调制技术FFT的发展，使FDM技术有了革命性的变化。FFT允许将FDM的各个子载波重叠排列，同时保持子载波之间的正交性（以避免子载波之间干扰）。如图（b）所示，部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率，因为相同的带宽内可以容纳更多的子载波。
FDM就是把这个序列中的元素依次地调制到指定的频率后发送出去。
OFDM就是先把序列划分为D0、D4、D8……D1、D5、D9……D2、D6、D10……D3、D7、D11……这样4个子序列（此处子序列个数仅为举例，不代表实际个数），然后将第一个子序列的元素依次调制到频率F1上并发送出去，第二个子序列的元素依次调制到频率F2上并发送出去，第三个子序列的元素依次调制到频率F3上并发送出去，第四个子序列的元素依次调制到频率F4上并发送出去。F1、F2、F3、F4这四个频率满足两两正交的关系，如下图1所示。
图1 OFDM示例一个好的系统设计必须可以避免ISI和ICI，或者至少将他们抑制到可接受的程度。也就是说，要选择一个足够的CP以防止由频率选择性衰落而引起的ISI和ICI，同时要选择适当的OFDM符号长度，使信道冲激响应（CIR）至少在一个OFDM符号期间是不变的。
由于OFDM系统对频偏和相位噪声敏感，因此OFDM子载波宽度必须仔细选定，既不能太大也不能太小。因为OFDM符号周期和子载波带宽成反比，所以在一定的CP（Cycle Prefix 循环前缀）长度下，子载波宽度越小，则符号周期越大，频谱效率也越高（因为每个OFDM符号前都要插入一个CP，CP是系统开销，不传输有效数据）。但如果子载波宽度过小，则对频偏过于敏感，难以支持高速移动的终端。
CP长度的选择与无线信道的时延扩展和小区的半径大小息息相关，时延扩展和小区半径越大，需要的CP也越长。另外，在宏分集（Macrodiversity）广播系统中，由于终端收到各基站同时发出的信号，为了避免由于传输延迟差造成的干扰，需要额外加长CP。
优化设计对OFDM系统来说是非常重要的，实际系统需要处理各种不同的环境（信道参数很不同）。一个解决问题的办法是根据最差的情况（宏小区高速移动用户）优化参数，另一个可选的方法是根据各种不同的环境（室内、室外、宏小区、微小区、微微小区等）优化参数，但这就需要设计高度灵活的收发信机。
信道估计和导频设计
（1）导频插入方式
导频插入方式方式c：离散插入方式。这种插入方式是FDM和TDM方式的结合。在频域上，每隔若干子载波插入一个导频子载波。在时域上，每隔若干个符号插入一个导频符号。这种插入方式可以充分利用频域和时域上的相关性，用尽可能小的导频开销，支持高精度的信道估计，但这种方法需要同时在频域和时域上做内插。
不同的导频插入方式适用于不同的用途（如同步、相位噪声补偿、信道估计等），例如，采用专用的导频子载波（即FDM插入方式）适合用于相位补偿和载频的微调；采用专用的导频符号（即TDM插入方式）适合用于信道估计和时域/频域的粗同步; 而离散的导频插入可同时用于信道估计和载频偏移的微调，从而有效地减少导频的开销。具体采用哪种插入方式，还要根据系统的实际需求选择。
链路自适应
由于可以在频域划分空口资源，AMC（自适应调制和编码）和功率控制技术在OFDM系统中更容易使用。系统可以对某个子载波或子载波组独立做AMC和功控，不同的子载波（组）可以采用不同的调制编码速率和发射功率，大大增加AMC和功控的灵活性。
控制信息的分布
如何在时域和频域插入控制信道，还是比较自由的。图给出了一种控制信道插入方式。由于控制信息通常以最低的调制阶数进行调制，因此控制信息还可以作为额外的导频符号来提高信道估计的性能，并降低导频的开销。尤其是对高阶调制的数据的解调可以起到较大的辅助作用。不过这样一来，控制信息的位置必须与导频位置相对应，如果采用分散的导频插入方式，控制信道也应采用分散的插入方式。另外，这种方法要求先解调/解码控制信道，再开始数据的解调，因此增加了额外的处理时延。
在上行OFDM系统中，由于要保持各用户之间的正交性，需要使多个用户的信号在基站“同步接收”，即各用户的信号需要同时到达基站，误差在CP之内。由于各用户距基站的距离不同，需要对各终端的发射时钟进行调整，距离较远的终端较早发送，距离较近的终端较晚发送，这种操作称为“上行同步”或“时钟控制”。
OFDM系统虽然保证了小区内用户间的正交性，但无法实现自然的小区间多址（CDMA则很容易实现）。如果不采取任何额外设计，系统将面临严重的小区间干扰（某些宽带无线接入系统就因缺乏这方面的考虑而可能为多小区组网带来困难）。可能的解决方案包括：跳频OFDMA、加扰、小区间频域协调、干扰消除等。
OFDM存在很多技术优点见如下，在3G、4G中被运用，作为通信方面其有很多优势：
(3) 该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信；
(5) OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。
(6) 可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。
(8) OFDM技术抗窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。
(9) 可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法；
(10) 信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。 （baud 即 波特；1 Baud = log2M (bit/s) ，其中M是信号的编码级数）。
(1)对相位噪声和载波频偏十分敏感
这是OFDM技术一个致命的缺点，整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起ISI。同样，相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散，形成ISI。而单载波系统就没有这个问题，相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比SNR，而不会引起互相之间的干扰。
OFDM信号由多个子载波信号组成，这些子载波信号由不同的调制符号独立调制。同传统的恒包络的调制方法相比，OFDM调制存在一个很高的峰值因子。因为OFDM信号是很多个小信号的总和，这些小信号的相位是由要传输的数据序列决定的。对某些数据，这些小信号可能同相，而在幅度上叠加在一起从而产生很大的瞬时峰值幅度。而峰均比过大，将会增加A/D和D/A的复杂性，而且会降低射频功率放大器的效率。同时，在发射端，放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值，这会在OFDM频段内和相邻频段之间产生干扰。
在20世纪90年代，OFDM广泛用于各种数字传输和通信中，如移动无线FM信道，高比特率数字用户线系统(HDSL)，不对称数字用户线系统(ADSL)，甚高比特率数字用户线系统(VDSI)，数字音频广播(DAB)系统，数字视频广播(DVB)和HDTV地面传播系统。
2001年，IEEE802.16通过了无线城域网标准，该标准根据使用频段的不同，具体可分为视距和非视距两种。其中，使用2~11GHz许可和免许可频段，由于在该频段波长较长，适合非视距传播，此时系统会存在较强的多径效应，而在免许可频段还存在干扰问题，所以系统采用了抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上有明显优势的OFDM调制，多址方式为OFDMA。2006年2月，IEEE802.16e形成了最终的出版物，采用的调制方式仍然是OFDM。
2004年11月，根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求，3GPP通过被称为Long Term Evolution (LTE)即“3G长期演进”的立项工作。项目以制定3G演进型系统技术规范作为目标。3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合，终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术，即下行OFDM，上行SC(单载波)FDMA。OFDM由于技术的成熟性，被选用为下行标准很快就达成了共识。而上行技术的选择上，由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些设备商认为会增加终端的功放成本和功率消耗，限制终端的使用时间，一些则认为可以通过滤波，削峰等方法限制峰均比。不过，经过讨论后，最后上行还是采用了SC-FDMA方式。拥有我国自主知识产权的3G标准——TD-SCDMA在LTE演进计划中也提出了TD-CDM-OFDM的方案B3G/4G是ITU提出的目标，并希望在2010年予以实现。B3G/4G的目标是在高速移动环境下支持高达100Mb/S的下行数据传输速率，在室内和静止环境下支持高达IGb/S的下行数据传输速率。而OFDM技术也将扮演重要的角色 [3]。
OFDM技术凭借优点，在很多技术领域已经得到了广泛的应用，表现在以下方面。
数字音频广播 (DAB) 与模拟广播相比可以提高更高质量的语音数字业务，在1995年, 欧洲电信标准协会通过了第一个DAB标准—ETS300401。此外，日本的ISDB-T和美国的IBOC方案也都包括了OFDM技术，在数字视频广播 (DVB) 的DVB-T标准中OFDM技术也得到了应用。
在无线局域网领域
在高速无线局域网的相关标准中，OFDM技术应用在了HiperLAN/2物理层中，同时IEEE802.11标准的ISM频段中，在2.4GHz和5.8GHz两个频段均采用了该技术的IEEE802.11a和IEEE802.11g标准。在802.11a标准中，OFDM在20Mhz频段能够提供高达54Mbit/s速率的原始数据传输。802.16a标准规范中明确定义了OFDM技术作为无线数据传输方式，并规定在特许频段，可以使用单载波调制或正交频分复用，而对于非特许频段，必须使用正交频分复用调制方式。 [5]
在4G蜂窝系统方案中
在考虑设计4G蜂窝网络的系统中的空中接口时，OFDM技术凭借自身在对抗多径衰弱方面有着显著的优势而被采用。如日本NTT DoCoMo以及中国的FuTURE方案等，大大提高了系统的性能。在4G移动通信系统之中，OFDM技术是移动通讯系统的核心关键技术，在4g移动通信系统中发挥着至关重要的作用。现今已经发掘出来的将要在未来应用的OFDM技术主要有W-OFDM技术，V-OFDM技术，MIMO-OFDM技术。 [6]
第五代移动通信 (5G) 中
与OFDM技术相比, OQAM-OFDM技术更低带外频谱泄露，因此也成为5G关键技术的重要组成部分。由于OQAM-OFDM技术对各载波之间不需要同步，要求没有OFDM那么严格，因此具有更好的兼容性，从而适应更多的业务需求。 [4]
随着OFDM技术的发展，也出现了一系列改进的OFDM技术，以解决OFDM本身的一些问题。下面对最主要的几个技术进行介绍。首先，OFDM本身不具有多址能力，需要和其他的多址技术，如TDMA、CDMA、FDMA等结合实现多址，包括OFDMA（正交频分复用）、MC-CDMA、MC-DS（直接序列扩频）-CDMA、VSF-OFCDM（可变扩频因子正交频码分复用）等技术。DFT-S-OFDM（离散傅丽叶变换扩展OFDM）是一种为降低PAPR设计的OFDM改进技术。
子信道OFDMA
将OFDM和FDMA技术结合形成的OFDMA技术是最常见的OFDM多址技术，又分为子信道OFDMA和跳频OFDMA。子信道OFDMA即将整个OFDM系统的带宽分成若干子信道，每个子信道包括若干子载波，分配给一个用户（也可以一个用户占用多个子信道）。
跳频OFDMA
子信道OFDMA对子信道（用户）的子载波分配相对固定，即某个用户在相当长的时长内使用指定的子载波组（这个时长由频域调度的周期而定）。这种OFDMA系统足以实现小区内的多址，但实现小区间多址却有一定的问题。因为如果各小区根据本小区的信道变化情况进行调度，各小区使用的子载波资源难免冲突，随之导致小区间干扰。如果要避免这样的干扰，则需要在相邻小区间进行协调（联合调度），但这种协调可能需要网络层的信令交换的支持，对网络结构的影响较大。
另一种选择就是采用跳频OFDMA。在这种系统中，分配给一个用户的子载波资源快速变化，每个时隙，此用户在所有子载波中抽取若干子载波使用，同一时隙中，各用户选用不同的子载波组（如图所示）。与基于频域调度的子信道化不同，这种子载波的选择通常不依赖信道条件而定，而是随机抽取。在下一个时隙，无论信道是否发生变化，各用户都跳到另一组子载波发送，但用户使用的子载波仍不冲突。跳频的周期可能比子信道OFDMA的调度周期短的多，最短可为OFDM符号长度。这样，在小区内部，各用户仍然正交，并可利用频域分集增益。在小区之间不需进行协调，使用的子载波可能冲突，但快速跳频机制可以将这些干扰在时域和频域分散开来，即可将干扰白化为噪声，大大降低干扰的危害。随着各小区的负载的加重，冲突的子载波越来越多，这种“干扰噪声”也会积累，使信噪比降低，但在负载不是很重的系统中，跳频OFDMA可以简单而有效地抑制小区间干扰。
DFT-S-OFDM
DFT-S-OFDM是基于OFDM的一种改进技术。由于传统OFDM技术的PAPR较高，在上行链路用户便携或手持终端有一定困难。OFDM本身也可以采用一系列降低PAPR的附加技术，如子载波预留和削波等。另一种方法是在发射机的IFFT处理前对系统进行预扩展处理，其中最典型的就是用离散傅丽叶变换进行扩展，这就是DFT-S-OFDM技术。
如图所示，将每个用户所使用的子载波进行DFT处理，由时域转换到频域，然后将各用户的频域信号输入到IFFT模块，这样各用户的信号又一起被转换到时域并发送。经过这样的改进，我们发现每个用户的发送信号由频域信号（传统OFDM）又回到了时域信号（和单载波系统相同），这样PAPR就被大大降低了。由于在这个系统中，每个用户的发送信号波形类似于单载波，也有人将其看作一种单载波技术，虽然它是从OFDM技术演变而来的。
子载波的排列和分配
OFDM子载波可以按两种方式排列：集中式(Locolized)和分布式(Distributed)。
集中式即将若干连续子载波分配给一个用户，这种方式下系统可以通过频域调度选择较优的子载波组(用户)进行传输，从而获得多用户分集增益。集中方式也可以降低信道估计的难度。但这种方式获得的频率分集增益较小，用户平均性能略差。
分布式系统将分配给一个用户的子载波分散到整个带宽，从而获得频率分集增益。但这种方式下信道估计较为复杂，也无法采用频域调度。设计中应根据实际情况在上述两种方式中灵活进行选择。
PAPR问题
OFDM系统由于发送频域信号，峰平比(PAPR)较高，从而会增加了发射机功放的成本和耗电量，不利于在上行链路实现(终端成本和耗电量受到限制)。在未来的上行移动通信系统中，很可能将采用改进型的OFDM技术，如DFT-S(离散傅丽叶变换扩展)-OFDM或带有降PAPR技术(子载波保留、削波)的OFDM。
多小区多址和干扰抑制
OFDM系统虽然保证了小区内用户间的正交性，但无法实现自然的小区间多址(CDMA则很容易实现)。
如果不采取任何额外设计，系统将面临严重的小区间干扰(WiMAX系统就因缺乏这方面的考虑而可能为多小区组网带来困难)。可能的解决方案包括：跳频OFDMA、小区间频域协调、干扰消除等。
