正交頻分複用

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週期，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週期相對增加，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。具體如圖《OFDM的基帶傳輸系統》所示。在過去的頻分複用（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。

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週期內OFDM符號的時延副本內包含的波形週期個數也是整數。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。

正交頻分複用（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户接入服務，如OFDM—TDMA、OFDMA和多載波CDMA等。 ^[1] 

採用正交頻分複用可以提高電力線網絡傳輸質量，它是一種多載波調製技術。傳輸質量的不穩定意味着電力線網絡不能保證如語音和視頻流這樣的實時應用程序的傳輸質量。然而，對於傳輸突發性的Internet數據流它卻是個理想的網絡。即便是在配電網受到嚴重干擾的情況下，OFDM也可提供高帶寬並且保證帶寬傳輸效率，而且適當的糾錯技術可以確保可靠的數據傳輸。OFDM的主要技術特點如下：

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；

⑷OFDM較易與其它多種接入方式結合，構成MC-CDMA和OFDM-TDMA等。 ^[1] 

OFDM的概念於20世紀50—60年底提出，1970年OFDM的專利被髮表，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複用（FDM）方法來並行傳送數據。OFDM早期的應用有AN/GSC_10高頻可變速率數傳調制解調器等。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的全數字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的應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，高速數字用户環路（HDSL），非對稱數字用户環路（ADSL）及高清晰度數字電視（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廣泛用幹各種數字傳輸和通信中，如移動無線FM信道，高比特率數字用户線系統（HDSL），不對稱數字用户線系統（ADSL)，甚高比特率數字用户線系統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的無線局域網標準，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的以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、室外的各種應用場合。歐洲電信組織（ETsl）的寬帶射頻接入網的局域網標準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（移動寬帶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的高峯均比（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，削峯等方法限制峯均比。不過，經過討論後，最後上行還是採用了SC一FDMA方式。擁有中國自主知識產權的3G標準一一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，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。

歐洲的數字聲廣播工程（DAB）－DABEUREKA147計劃已成功的使用了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佔用的頻帶寬度。

HFC(Hybrid Fiber Cable）是一種光纖/同軸混合網。近來，OFDM被應用到有線電視網中，在幹線上採用光纖傳輸，而用户分配網絡仍然使用同軸電纜。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。

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。 ^[2] 

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個信號恰好都以峯值出現並將相加時，OFDM信號也產生最大峯值，該峯值功率是平均功率的N倍。這樣，為了不失真地傳輸這些高峯均值比的OFDM信號，對發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，且發送效率較低。解決方法一般有下述三種途徑：

⑴信號失真技術採用峯值修剪技術和峯值窗口去除技術，使峯值振幅值簡單地非線性去除；

⑵採用編碼方法將峯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，以避免出現較大的峯值信號；

⑶擾碼技術採用擾碼技術，對所產生OFDM信號的相位重新設置，使互相關性為0，這樣可以減少OFDM的PAPR。這裏所採用的典型方法為PTS和SLM。

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。

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）。

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多普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。

⑶由於OFDM信號是由多個調製後的子載波信號的線性疊加，因此可能會造成比平均信號準位高的瞬間尖峯信號，進而產生高峯值對均值功率比效應。

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。 ^[1] 

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， 正交頻分複用與他們相比的區別分別為：

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

使用被髮射器和接收器都知曉的偽隨機序列，在很多頻率信道內快速跳變以發射無線電信號。FHSS有較強的抗干擾能力，一旦信號在某信道中受阻，它將迅速再下一跳中重新發送信號。

三直接序列擴頻

在設備的特定的發射頻率內以廣播形式發射信號。用户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。

四正交頻分複用

同時在多個子載波頻率上以廣播形式發射信號。每個子載波的帶寬都很窄，可以承載高速數據信號。OFDM適用於嚴酷的信道條件。由於OFDM具有較高的複雜度，有很多方式來抗干擾。對窄帶干擾的抗干擾能力也不錯，因為大量的正交的子載波和與DSSS相似的信道編碼機制。 ^[2]